Digital broadcasting began in 1998 and the study on realizing high definition display has been well advanced ever since. For high definition display, pixel size of display panel should be reduced. By reduction of pixel size, resolution and quality of images can be improved. For the high definition display, phosphors should satisfy some requirements. It is desired that the phosphors have high efficiency, small and uniform size, and spherical shape. If size of phosphors is small, then they can be applied to small sized pixel of high definition display. If phosphors have uniform size, then uniform phosphor layer can be formed, so luminescence distribution can be uniform on the whole screen. Moreover the spherical phosphors can be packed denser than the other shaped phosphors, so dense phosphor layer can be formed. Another feature of spherical particles is that they have high mobility and good dispersion properties in paste, and do not tend to aggregate one another. So we can get good phosphor paste by using spherical phosphors. Therefore many researchers are studying to make the small monodisperse spherical phosphor. In this study, we have tried to make the monodisperse spherical $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ phosphor by homogeneous precipitation method. It is well known that $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ phosphor has high quantum efficiency. Therefore it is widely used for CRTs (Cathode Ray Tubes), PDPs (Plasma Display Panels), and fluorescent lamps.
In this study, urea was used as a precipitator. The composition of precipitate after precipitation reaction was $Y_{1-x}O_{x}OHCO_{3}$ and it turned to $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ phosphor by firing process. During the firing process, the precipitate was crystallized through two decomposition reactions. In these reactions, byproducts such as $H_{2}O$ and $CO_{2}$ were gone from the precipitate and volume of particles was contracted. Shapes of phosphor particles were affected by anions of raw materials. The phosphors prepared with chloride and nitrate raw materials showed monodisperse spherical shape. However, the phosphors prepared with carbonate and acetate raw materials showed different shapes from spherical shape. It is because anions from the chloride and nitrate raw materials were dissociated easily so that they did not participate in precipitation reaction. However, anions from the carbonate and acetate raw materials were not dissociated well and they participated in precipitation reaction. Then these anions influenced the shapes of phosphor particles. The spherical phosphors showed higher crystallinity and better photoluminescent properties than the other shaped ones.
We have tried to control the particle size by using mixed solvents of water and 1-propanol. As volume ratio of alcohol (RA) was increased, particle size was decreased. It is because nucleation rate was increased as RA increase that particle size was decreased when the fixed raw materials concentration was used. In this way, we could control the particle size from 276 nm to 103 nm with maintaining a high yield more than 95 %. As RA was increased, particles size was decreased and PL intensity was increased. Because thermal energy transferred more easily to inside of particles as particle size was smaller, crystallinity of particles was increased as particle size was decreased under the same firing condition. Therefore PL intensity was increased as RA increase, that is, particle size was decreased.
Optimized activator concentration was 9 mol% and optimized firing temperature was 1050℃. Although the firing temperature was relatively low, the optimized phosphor showed 5~230 % higher PL intensities than the other phosphors prepared by general solid state reaction method. In this way, we could make high efficient monodisperse spherical $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ phosphor. It is expected that this phosphor contribute to advance of display technology and high definition display.
1998년 디지털 방송이 시작된 이래로 고해상도 디스플레이를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고해상도 디스플레이를 구현하기 위해서는 디스플레이 소자의 픽셀 크기가 감소하여야 한다. 픽셀의 크기를 줄임으로써 화질과 해상도를 높일 수 있다. 고해상도 디스플레이에 적용하기 위해서는 형광체가 다음의 몇 가지 조건을 만족해야 하는데, 먼저 형광체 자체의 효율이 높고, 형광체 입자의 크기가 작고 균일하며 구형일수록 유리하다. 형광체 입자의 크기가 작을수록 작은 크기의 픽셀에 적용할 수 있으므로 고해상도 디스플레이에 적합하다. 또한 형광체 입자의 크기가 균일하면 균일한 형광막을 얻을 수 있어 전체 형광막에 걸쳐 균일한 발광분포를 얻을 수 있다. 구형의 형광체는 다른 형태의 형광체에 비해 충진 밀도가 높아 치밀한 형광막을 얻을 수 있다. 또한 구형의 형광체는 페이스트 상태에서 유동성이 좋고 입자간 서로 잘 분산되는 특성이 있다. 이러한 많은 장점들로 인해 많은 연구자들이 작은 크기의 단분산 구형 형광체를 연구하고 있다. 본 연구에서는 균일침전법에 의해 단분산 구형의 $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ 형광체를 합성하였다. $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ 형광체는 양자효율이 높고 CRTs (Cathode Ray Tubes), PDPs (Plasma Display Panels), 그리고 형광램프 등에 널리 사용되어 왔다. 본 연구에서는 urea를 침전제로 사용하였다. 침전물의 조성은 $Y_{1-x}O_{x}OHCO_{3}$ 이었고 열처리를 통해 $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$가 되었다. 열처리 중 침전물은 두 가지 분해반응을 거치며 결정화되었고, $H_{2}O$와 $CO_{2}$의 부산물이 제거되며 입자의 부피가 수축하였다. 형광체 입자의 형태는 원료물질의 음이온에 영향을 받았다. Chloride와 nitrate 계열의 원료물질을 사용한 경우에는 단분산 구형의 형광체가 얻어졌으나 carbonate와 acetate 계열의 원료물질을 사용한 경우에는 그렇지 못하였다. 그 이유는 chloride와 nitrate 계열의 원료물질로부터 얻어진 음이온들은 쉽게 해리되어 침전반응에 참여하지 않았지만 carbonate와 acetate 계열의 원료물질로부터 얻어진 음이온은 쉽게 분해되지 않아서 침전반응에 참여하였고 형광체 입자의 형태에 영향을 준 것이다. 구형의 형광체가 다른 형태의 형광체에 비해 높은 결정성과 발광특성을 보였다. 물과 1-프로판올을 섞은 혼합용매를 이용하여 형광체 입자의 크기를 제어하였다. 1-프로판올의 부피 비 (RA)가 증가할수록 입자의 평균크기가 감소하였다. 이는 RA가 증가할수록 핵생성율이 증가하여 반응초기에 생성된 핵의 개수가 늘어났기 때문이다. 이를 통해 95 % 이상의 높은 수율을 유지한 채로 입자의 평균 크기를 276 nm에서 103 nm까지 조절할 수 있었다. 입자의 평균크기가 감소할수록 형광체의 발광강도는 증가하였다. 그 이유는 입자의 크기가 작을수록 동일한 조건에서 열처리하더라도 열에너지가 입자 내부까지 잘 전달되어 부산물이 제거되고 남은 비발광천이의 source인 defect가 효과적으로 사라졌기 때문이다. 최적 활성이온 농도는 9 mol %였으며 최적 열처리온도는 1050℃였다. 열처리 온도가 상대적으로 낮음에도 불구하고 균일침전법으로 합성한 구형의 형광체가 일반적인 고상합성법으로 합성한 형광체들에 비해 5~230 % 높은 PL 발광강도를 보였다. 이로써, 균일침전법을 통해 고효율의 단분산 구형의 $Y_{2}O_{3}:Eu^{3+}$ 형광체를 합성할 수 있었고 이는 추후 고해상도 디스플레이 발전에 기여할 것으로 기대된다.
