The polymerized-complex combinatorial chemistry has been developed and applied to the synthesis and the screening of phosphor powders. This combinatorial chemistry method made it possible to characterize all the properties of an individual sample in the libraries in the same way as for a conventional individual powder sample. Thus, it was possible to use conventional UV/VUV spectroscopic techniques to measure all properties of a member samples in the libraries of materials.
The Eu- or Tb-doped phosphors for plasma display panel (PDP) were investigated in the system of $MO-Gd_{2}O_{3}-Al_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba). As a result, the ternary material libraries of a triangle-type composition array were set up to seek the optimum composition for stabilizing the activator $Eu^{3+}$, $Eu^{2+}$ and $Tb^{3+}$, respectively.
From the $Eu^{3+}$ material libraries of $MO-Gd_{2}O_{3}-Al_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba), $Gd_{2}O_{3}$:Eu, $M_{x}$ and/or $Al_{y}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba, 0
형광물질의 합성과 검색을 위하여 착체 축합법을 이용한 조합화학 방법을 개발하여 적용하였다. 이 착체 축합 조합화학 방법은 일반적인 분말 시료합성 방법과 같이 물질 라이브러리의 각 시료를 분말로 소량 합성할 수 있었으며, 시료의 물성 평가가 가능하였다. 이에 따라 자외선/진공자외선과 X-선 분광기를 사용하여 물질 라이브러리에 있는 시료의 분광 특성을 측정하여 발광 라이브러리를 제작하고, 물질을 분석하였다.
$MO-Gd_{2}O_{3}-A_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba)의 삼성분계에서 $Eu^{3+}$, $Eu^{2+}$ 와 $Tb^{3+}$ 활성제에 따라 210 혹은 230개 조성비를 갖는 삼성분계의 물질 라이브러리를 열처리 온도별로 구축하였으며, 구축된 물질 라이브러리를 진공자외선 분광기를 사용하여 플라즈마 표시장치 (plasma display panel)에 사용이 가능한 각 활성제에 맞는 후보 모체(host lattice)를 탐색하였다.
Eu^{3+}을 활성제로 채택한 $MO-Gd_{2}O_{3}-A_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba)의 라이브러리에서는 적색 후보 형광물질로 $Gd_{2}O_{3}:Eu, M_{x}, Al_{y}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba)이 탐색되었다.
$Eu^{2+}$을 활성제로 채택한 $MO-Gd_{2}O_{3}-A_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba)의 라이브러리에서는 녹색과 청색 후보 형광물질이 검색되었다. 녹색의 후보 형광물질은 $4SrOㆍ7Al_{2}O_{3}: Eu^{2+}$와 $SrAl_{2}O_{4}: Eu^{2+}$이었으며, 청색 후보 형광물질은 $CaAl_{2}O_{4}: Eu^{2+}$, $BaAl_{2}O_{4}ㆍGdAlO_{3}: Eu^{2+}$과 $Ba_{0.75}Al_{11}O_{17.25}GdAlO_{3}: Eu^{2+}$이 검색되었다. $Tb^{3+}$을 활성제로 채택한 $MO-Gd_{2}O_{3}-A_{2}O_{3}$ (M=Mg, Ca, Sr, Ba)의 라이브러리에서는 효율적인 녹색 형광물질이 $Gd_{2}O_{3}-Al_{2}O_{3}$의 이성분계에서 나타났다. 검색된 후보 형광물질은 $Gd_{4}Al_{2}O_{9}ㆍGd_{2}O_{3}:Tb^{3+}$와 $GdAlO_{3}$이 소량 포함된 $Gd_{3}Al_{5}O_{12}:Tb^{3+}$로 나타났다. 또한, $CaAl_{12}O_{19}$와 $CaGdAl_{3}O_{7}$가 후보 형광물질 모체로 검색되었다. 특히 $Ca_{x}Gd_{0.95-x-y}Tb_{0.05}Al_{y}O_{δ}$ (x= 0.20-0.35, y= 0.45-0.60 )의 시료들 중에서는 X-선 분말회절 분석결과 $CaGdAl_{3}O_{7}$, $CaGdAlO_{4}$ 그리고 $GdAlO_{3}$ 물질로 구성되어 있음을 확인하였다. 각 화합물의 정확한 조성을 분석하기 위하여, Fullprof 소프트웨어를 사용하여 Rietveld 법으로 정량분석을 수행하여 휘도결과와 비교하여 검토하였다. 휘도가 가장 큰 시료의 조성비는 $0.232Ca(Gd,Tb)Al_{3}O_{7}ㆍ0.733Ca(Gd,Tb)AlO_{4}{\cdot}0.035(Gd,Tb)AlO_{3}$ 로 분석되었다.
검색된 2개의 후보물질 ($Gd_{2}O_{3}:Eu^{3+}$, $CaGdAl_{3}O_{7}: Tb^{3+}$)을 선택하여 형광물질의 발광특성을 이해하고자 하였다.
$Gd_{2}O_{3}: Eu^{3+}$ 형광물질의 발광기구(emission mechanism)를 이해하기 위하여 $Eu^{3+}$ 이온사이의 에너지 전이를 다중 극자 상호작용(multipolar interaction)의 항으로 $^{5}D_{0}$ 에너지 준위로부터 일어나는 발광의 잔광시간곡선(decay curve)을 분석하였다. $^{5}D_{0}$ 발광의 잔광시간곡선 거동은 제안된 교차-이완 기구(cross-relaxation mechanism)와 격자간 확산(intercenter diffusion)을 기초로 분석하여, $^{5}D_{0}$ 로부터 전하전이띠(charge transfer band)로의 상향전이(up-conversion)에 따라 영향을 받는다고 제안하였다.
$CaGdAl_{3}O_{7}: Tb^{3+}$ 형광물질의 경우, $^{5}D_{3}$ 발광의 잔광시간곡선은 직접소광기구에 기초한 다중극자 상호작용에 관한 Inokuti와 Hirayama 식에 맞추어(fitting) 관찰하였다. 실험결과 $Tb^{3+}$ 농도가 짙은 영역에서 다중(쌍극자-쌍극자)작용과 잘 일치하였다. $^{5}D_{4}$ 발광의 잔광시간곡선은 확산 제한 소광(diffusion limited quenching)에 관한 Yokota and Tanimoto 식에 맞추어(fitting) 관찰하였다. 소광 자리의 농도와 확산계수는 $Tb^{3+}$ 농도에 따라 여러 모양으로 변화함을 관찰하였다. $Tb^{3+}$ 농도에 관련한 이러한 변수의 변화로부터 $^{5}D_{4}$ 발광의 소광은 결함 불순물에 의한 것이 아니라 $Tb^{3+}$ 이온 사이의 다중극자 상호 작용에 의하여 일어난다고 추정하였다. $Tb^{3+}$ 농도가 증가함에 따라 확산에 의한 소광과 직접 소광에 의한 영향을 모두 받는 것으로 나타났다.
