액상보조반응법을 이용한 $BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 청색 형광체의 저온 합성에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 $BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체를 BaS:Eu, Al, S의 반응을 통한 액상보조반응법으로 합성하고, 이를 박막 제조에 응용하는 실험을 진행하였다. 우선 BaS, EuS, Al, S를 사용하여 분말 형광체를 제조하고, BaS, EuS, $Al_2S_3$ 를 사용하는 기존의 고상합성법과의 차이를 알아보았다. 이를 바탕으로 BaS:Eu, Al 다중막 증착 및 황화 열처리를 통한 $BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 박막 형광체 합성을 진행하였다. 또한, flux를 사용하여 분말, 박막 형광체의 발광 특성을 개선시켰다. 고상합성법은 BaS, EuS, $Al_2S_3$ 를 사용하여 진공 앰풀 내에서 진행하였다. 온도를 변화시켜가며 합성을 진행하였을 때, 700℃부터 합성이 진행되었음을 확인할 수 있었고, 800℃ 이상에서는 $alpha-BaAl_2S_4$ 가 합성되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 $H_2S$ 를 사용한 기존 논문에서 보고되었던 저온 상인 $beta-BaAl_2S_4$ 는 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 합성된 물질의 입자크기는 2㎛이하로 나타났다. 고상합성법에서 사용되는 $Al_2S_3$ 는 공기 중의 수분에 의해 산화되기가 쉽다는 문제점이 있다. 게다가 $Al_2S_3$ 를 Al과 S로 대체하여 합성을 진행할 경우, Al의 녹는점이 $alpha-BaAl_2S_4$ 의 합성온도에 비해서 낮기 때문에, 저온 합성이 가능해 질 수 있다는 장점이 있다. 이에 Al과 S를 사용하는 액상보조반응법으로 합성을 진행하였다. 액상보조반응법은 BaS, EuS, Al, S를 사용하여 진공 앰풀 내에서 진행하였다. 시작물질의 혼합비는 850℃에서 $alpha-BaAl_2S_4$ 만이 합성되는 조건인 BaS(+EuS) : Al : S = 1 : 2 : 6을 선택하였다. 온도에 따른 합성의 결과, 500℃ 이상에서 $β-BaAl_2S_4$ 상이 나타나다가, Al의 녹는점 근처인 660℃ 이상에서 $alpha-BaAl_2S_4$ 상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 고상합성법에 비해서 orthorhombic 상인 $beta-BaAl_2S_4$ 는 150℃정도, cubic 상인 $alpha-BaAl_2S_4$ 는 140℃정도 합성온도가 낮아진 결과였다. 액상보조반응법에 의해 합성된 $BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체는 $alpha-BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 는 470㎚에서, $beta-BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 는 476㎚에서 PL 피크를 보이는 것으로 나타났다. 액상보조반응법은 고상합성법과 다른 합성 메커니즘으로 합성이 진행되었다. 합성 메커니즘은 다음에 나타내었다.

$BaS_3 + 2Al + S = BaAl_2S_4$

동일한 합성조건에서 각각 고상합성법과 액상보조반응법을 통해 합성된 $alpha-BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체의 발광특성을 비교해 보았다. 그 결과 액상보조반응법을 통해 합성된 형광체가 93%정도 PL 특성의 증가를 보였다. 이는 액상보조반응법으로 합성한 경우가 고상합성법으로 합성된 것보다 높은 결정성과 더 큰 결정립을 가졌기 때문으로 생각되어진다. 액상보조반응법을 $BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 박막 형광체의 제조에 응용하고자, $alpha-BaAl_2S_4:Eu^{2+}$ 형광체의 합성을 유리 기판을 사용할 수 있는 온도인 600℃까지 낮추기 위해서 flux를 적용하는 실험을 진행하였다. $NH_4F, B_2O_3$ 를 flux로 사용하였을 경우는 2 wt% 첨가 시 발광 강도의 증가는 있었지만, $alpha-BaAl_2S_4$ 상의 합성을 얻을 수는 없었다. 반면에, $H_3BO_3$ 를 사용한 경우는 첨가시 발광 강도의 증가와 함께 2 wt% 이상 첨가할 때는 $alpha-BaAl_2S_4$ 상이 합성되는 모습을 보였다. 특히 2 wt%의 $H_3BO_3$ 를 첨가한 경우는 미첨가시에 비해 6.6배나 발광 강도가 증가하는 모습을 보였다. 분말에서 저온합성이 가능했던 BaS, EuS,