For recent years, white light emitting diodes (white LEDs) have been used as an illumination light source as well as components of display devices because LEDs have advantages such as low power consumption, long life time, and so on. There are several methods to fabricate white LEDs. At first, coating a yellow-emitting phosphor on a blue LED is used widely. And YAG:Ce phosphor has been used as yellow-emitting phosphor. However, this kinds of white LEDs show poor color rendering property due to the weak emission of the YAG:Ce phosphor in red spectral region.
From this reason, nitride phosphors were developed as new phosphor for whit LEDs. Nitride phosphors have longer excitation and emission wavelength than oxide phosphors because of nephelauxetic effect. And they have good thermal and chemical stability. But, these phosphors need high temperature and pressure conditions for synthesize.
Therefore, we need to develop nitride phosphors that synthesized in low temperature and pressure conditions. In this study, we used metathesis synthetic method for silicon-based nitride phosphor, such as $SrSiN_2:Eu^{2+}$ and $SrSi2O_2N_2:Eu^{2+}$.
At first, we synthesized $SrSiN_2:Eu^{2+}$ phosphor from $SrCl_2$, $Li_3N$, $Si_3N_4$, $Eu_2O_3$ raw materials. We performed experiments on parameters such as firing temperature, activator concentration to optimize synthesis condition of $SrSiN_2:Eu^{2+}$ phosphor. Optimized condition were 1100°C 6hours firing, and use 6 mol% of Eu activators. From metathesis method, we obtained high PL intensity compare with conventional synthesis method. But in this method, we found another emission peak in 740nm, it seems be $EuSiN_2$ impurity phase. This phase was increased in high $Eu_2O_3$ concentrated or low firing temperature samples. In case of $SrSi_2O_2N_2:Eu^{2+}$ phosphor, it was well synthesized in 1400°C and 4 mol% of Eu concentration. From washing step, it obtained around 20% increased PL intensity because of increase crystallinity.
Finally the white LEDs were fabricated by using $SrSiN_2:Eu^{2+}$ and $SrSi_2O_2N_2:Eu^{2+}$ phosphors. The white LEDs showed high color rendering index, maximum value was 85, and good CIE coordinate near white region. In this case, we can synthesis nitride phosphors for white LEDs in low T and P conditions using metathesis method.
백색 LED는 긴 수명시간과 높은 에너지 효율을 이유로 현재 디스플레이 및 조명 분야에서 각광받고 있으며, 앞으로의 수요 또한 크게 늘어날 전망이다. 이러한 백색광 LED는 보통 청색 LED 칩에 광 변환용 형광체를 도포하여 구현하는데, 현재 보편적으로 사용되는 방법은 YAG:CE과 같은 황색 형광체를 도포하여 백색을 구현하는 방법이다.
이 방법은, 높은 휘도를 가지지만 적색 영역의 발광이 부족하여 연색 지수가 떨어져 자연스러운 백색 광을 내기 힘든 단점이 있다. 따라서 현재 청색 LED 칩에 녹색과 적색 형광체를 구현하는 방법이 활발하게 개발 중에 있는데, 이 때 적색 형광체로는 주로 질화물계 형광체가 쓰이게 된다.
질화물계 형광체는 일반 산화물 형광체에 비해 높은 열적, 화학적 안정성을 지니며 비교적 장파장의 발광이 용이한 장점이 있으나, 합성을 위해서 높은 압력 및 온도가 요구되는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 복분해 (metathesis) 합성법을 이용하여 낮은 온도에서 질화물 형광체의 합성을 시도하였다. 일반 질화물 형광체에 쓰이는 Metal-nitride 원료 물질 대신 M-Cl (주로 SrCl2) 화합물 및 Li3N 화합물을 이용하여 낮은 온도에서 질화물 형광체를 합성하였으며, 또한 합성 과정에서 생기는 부산물인 LiCl을 소성 과정에서 flux로 사용하여 형광체의 결정성을 증가시켰다.
연구 결과, $SrSiN_2:Eu^{2+}$ 적색 형광체의 경우 1100ºC, $SrSi_2O_2N_2:Eu^{2+}$ 녹색 형광체의 경우 1400ºC의 합성 온도에서 높은 발광 강도를 가지는 것을 확인하였으며, 불순물 함량 또한 비교적 적게 나타났다. 위와 같이 합성한 적색, 녹색 형광체를 통해 백색 LED를 제작한 결과, 연색 지수(CRI value)가 최대 85로 황색 형광체를 합성하여 백색을 구현한 경우(최대 CRI value = 75)보다 우수한 특성을 지녔으며, 색온도 및 색좌표를 통한 색의 구현도 보다 넓은 범위에서 조절이 가능함을 확인하였다.
결론적으로, metathesis 합성법을 통해 비교적 저온 조건에서 높은 발광 강도를 갖는 질화물 형광체를 합성할 수 있었다. 또한, 합성된 질화물 형광체를 통해 보다 연색성이 뛰어난 백색 LED를 얻을 수 있음을 확인하였다.
