New Physics: Sae Mulli,
Vol. 66, No. 2, February 2016, pp. 158∼161 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.66.158
Fabrication and Research of Li
6Y(BO
3)
3:Gd
3+Phosphor
Myeongjin Oh
Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea Department of Radiology, Daegu Heath Colleage, Daegu 41453, Korea
Hongjoo Kim
∗Department of Physics, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea (Received 24 August 2015 : revised 12 November 2015 : accepted 16 November 2015)
Phosphors can be applied to related industries and the medical field because the fabrication process is simple and various emission spectra can be obtained by changing the activators. The rare- earth phosphors are highly sensitive detectors for X-ray because of their high Znumber. The Gd- doped lithium yttrium borate (Li6Y(BO3)3:Gd3+) phosphor was developed, and its luminescence properties have been studied. The Li6Y(BO3)3: Gd3+phosphor was fabricated from Li2CO3, Y2O3, H3BO3 and Gd2O3 powders by using the soild-state reaction method. First, X-ray diffraction (XRD) measurements were conducted to get the lattice constant and the structure of the phosphor.
The luminescence properties for X-ray, UV and proton sources were compared, and the emission peaks were at 311 nm for the three sources.
PACS numbers: 29.40.Mc, 78.55.Hx, 81.05.Pj Keywords: Li6Y(BO3)3, Gd3+, Phosphor
Li
6Y(BO
3)
3:Gd
3+형광체의 제조와 연구
오명진
경북대학교 물리학과, 대구 41566, 대한민국 대구보건대학교 방사선과, 대구 41453, 대한민국
김홍주
∗경북대학교 물리학과, 대구 41566, 대한민국
(2015년 8월 24일 받음, 2015년 11월 12일 수정본 받음, 2015년 11월 16일 게재 확정)
형광체는 비교적 제작 과정이 간편하며 여러 활성제를 첨가하여 사용 목적에 따라 다양한 발광 스펙트 럼을 얻을 수 있으므로 산업, 의료 및 다양한 분야에 적용될 수 있다. 희토류 원소를 포함하는 형광체는 원자번호가 높아 X-선에 대해 높은 감도를 가진다. 이 연구에서 Li2CO3, Y2O3, H3BO3, Gd2O3분말을 이용하여 Gd가 doping된 Li6Y(BO3)3를 제작하여 발광 특성을 조사하였다. 먼저, Li6Y(BO3)3: Gd3+
형광체의 격자상수와 결정구조를 확인하기 위해 XRD (X-ray diffraction) 를 이용하여 제조된 형광체의 X-선 회절상을 측정하였으며 X-선과 자외선 및 양성자선을 형광체에 조사하여 각각 311 nm 에서의 발광 스펙트럼을 관찰하였다.
PACS numbers: 29.40.Mc, 78.55.Hx, 81.05.Pj Keywords: Li6Y(BO3)3, Gd3+, 형광체
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Fabrication and Research of Li6Y(BO3)3:Gd3+Phosphor – Myeongjin Oh· Hongjoo Kim 159
I. 서 론
최근 의료 및 산업체 분야에서 X-선 또는 감마선에 대한 감도가 좋은 검출기를 개발하기 위해 많은 연구가 이루어 지고 있다. 그 중 희토류 원소를 모체로 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 희토류 원소는 Sc과 Y 그리고 La 에서 Lu까지의 란탄족 15개 원소를 지칭하는 것으로 화학적 특성이 비슷하고, 원자번호가 크기 때문에 방사선의 검출 효 율이 좋으며 상대적으로 가격이 비싼 단점이 있다. 이 밖에 flat panel display (FPD) 및 plasma display panel (PDP), liquid crystal display (LCD), light emitting diode (LED), 태양광 발전 등 디스플레이 분야에서 많은 각광을 받고 있 으며 형광체에 대한 발광 특성을 향상시키기 위한 많은 연 구들이 진행되어 왔다 [1–3]. 이상적인 형광물질의 몇 가지 요소들을 나열하면, 광 흡수율이 좋아야 하고, 흡수된 광을 형광으로의 변환하는 양자 효율이 높아야 한다. 광 흡수율을 좋게 하기 위해서 원자번호와 밀도가 높은 물질을 사용하는 것이 가장 이상적이다. 또한 사용목적에 적합한 파장을 가진 발광 스펙트럼의 방출이 필요하며 짧은 형광 붕괴시간과 물리 화학적 특성이 변하지 않는 내구성이 요구된다 [4–6].
형광체의 제작 과정에서 소결 온도, 시간, 활성제의 첨가량 등은 형광물질의 효율을 결정하므로 최적제조조건을 확립 해야 한다. Lu2O3, Y2O3, Gd2O3 등은 같은 큐빅 구조를 가지는 대표적인 모체로 충만대와 전도대 사이의 에너지 밴드 갭이 충분히 넓어 다양한 종류의 활성제를 적용시킬 수 있는 물질로 잘 알려져 있다 [7]. Y2O3의 경우 Lu2O3보다 밀도와 원자번호가 낮으나 상대적으로 가격이 저렴하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 또한 개발된 형광체가 중성자 흡수 단면적이 큰 Li 및 B 를 포함할 경우 중성자 영상에도 사용될 수 있다. 본 연구에서는 Li2CO3, Y2O3, H3BO3, Gd2O3 powder를 이용하여 Li6Y(BO3)3: Gd3+
를 제조하고, 자외선, X-선, 양성자선 등의 광원을 이용하여 발광 스펙트럼을 비교 분석하였다. 자외선은 파장의 길이에 따라 UV-A (315∼400 nm), UV-B (280∼315 nm), UV-C (280 nm 이하) 로 나눌 수 있으며 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형 광체에서 방출되는 발광 파장영역은 UV-B (311 nm) 에 해당된다 [8]. 대부분의 자외선 광원은 유해 중금속인 수은 을 포함하기 있기 때문에 그 기준을 초과하는 물품에 대해 앞으로 수출입이 제한된다고 알려져 있다. 따라서 수은을 함유하지 않은 자외선 광원을 개발하는 것은 시급한 과제로 부상하고 있다. Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체에서 방출되는 자외선은 311 nm 의 좁은 파장 영역을 가지며 수은을 함유 하지 않은 친환경 물질로 의료 바이오 분야에서의 협대역 자외선치료기 (narrow band UVB therapy) 및 분석기기 목적으로도 적용될 수 있다.
∗E-mail: [email protected]
Fig. 1. (Color online) The electric furnace and fabrica- tion process of Gd doped Li6Y(BO3)3.
II. 실 험
Fig. 1은 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체를 제조하기 위한 과정이다 [12]. Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체를 제조하기 위해 Li2CO3, Y2O3, H3BO3, Gd2O3 분말을 ball milling 을 이용하여 혼합하고, 고체 상태의 혼합된 분말을 공기 중에서 전기로에 20시간 동안 소결한 후 천천히 냉각시킨 후 소결된 분말을 분쇄하여 제조한다. 여기서, 소결 온도 및 시간, 활성제의 농도 등은 형광체의 효율을 결정하는 중요한 요소이기에 최적 조건을 찾기 위해 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체의 소결 온도 및 시간, 활성제의 농도 등을 변화시키며 여러 번 제조하였다.
제작된 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체의 격자상수와 결정 구조를 확인하기 위해 X-ray diffraction (XRD) 와 field emission scanning electron microscope (FE-SEM S480) 을 측정하였다. 먼저, XRD는 Cu K� X-선 광원를 이용 하였으며 40 kV 의 전압과 30 mA 의 전류로 설정하였다.
스캔 범위는 10-60◦(2θ), 스캔속도와 스텝 사이즈는 각각 0.02◦/sec, 0.02◦로 설정하였다. Li6Y(BO3)3:Gd3+형광체 의 XRD 분석 결과는 결정구조가 매우 유사한 JCPDS 카드 의 값 PDF#52-1119 (Li6Gd(BO3)3) 과 비교 분석하였다.
또한 발광 스펙트럼을 측정하기 위해 자외선 (Ultra Violet) 조사장치 (Fluorolog-3 spectro fluorometer/ light source 450 W Xenon lamp) 와 X-선 발생장치 (Ocean optics QE 65000 spectrometer/ 65 kV, 1 mA) 그리고 양성자 빔 (45 MeV, 1nA, 한국원자력의학원) 을 이용하여 실온에서 측정 하였다.
III. 실험 결과 및 고찰
Fig. 2은 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체의 XRD 분석 결과 를 나타내는 것으로 이 밀러 지수 (h, k, l) 는 JCPDS 값의 Li6Gd(BO3)3 (PDF#52-1119) 와 회절 피크의 위치가 일
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Fig. 2. (Color online) The XRD patterns of Gd doped Li6Y(BO3)3 and standard PDF card of #54-1119 (Li6Gd(BO3)3).
Fig. 3. The SEM images of Gd doped Li6Y(BO3)3.
Fig. 4. The luminescence intensity of Gd doped Li6Y(BO3)3 with various doping concentrations by us- ing X-ray.
치하는 것을 확인할 수 있었다. XRD를 통해 격자상수와 결정구조를 확인한 후 분말상태의 형광체 형태와 입자 크기 를 확인하기 위해 Fig. 3 에서와 같이 SEM image를 측정한 결과 대략 수 µm 크기의 균일한 입자분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 5. (Color online) The emission spectrum of Li6Y(BO3)3:Gd3+ by using an X-ray (a) and proton beam (b). The excitation and emission spectra of Li6Y(BO3)3:Gd3+ by using an UV source (c).
Fig. 4는 활성제의 농도를 변화시키면서 X-선에 대한 발 광강도를 측정한 것으로, Gd의 첨가 농도가 증가할수록 섬 광량이 증가하고, 그 후 감소하는 경향을 보였으며 5 mol%
첨가하였을 때 가장 높은 발광 강도를 보였다. 활성제는 농도가 너무 적을 경우 형광량의 기여도가 적고, 최적량 이상이 첨가 되었을 경우 발광 특성이 감소하는 현상이 일 어나는 것으로 알려져 있다 [9,10].
형광체가 에너지를 흡수하면 충만대의 전자가 전도대로 여기 되고 전자는 충만대와 전도대 사이에 있는 불순물에 의해 형성된 형광 중심으로 이동하게 되며 높은 준위에서
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낮은 준위로 전자가 이동하면서 광을 방출하게 된다 [11].
이 때 광 자극원에 따라 방출되는 빛의 파장영역에 영향을 미치기도 한다. Fig. 5는 제논 (Xenon) 램프를 광원으로 자외선을 이용하여 Li6Y(BO3)3: Gd3+형광체의 여기 발광 스펙트럼을 측정한 결과이다. Gd3+를 도핑한 Li6Y(BO3)3
형광체는 6P7/2→ 8S7/2 천이로 인해 자외선 영역 (∼311 nm) 의 발광 스펙트럼을 보여준다. 또한 311 nm의 발광에 대한 여기 광원은8S7/2 →6Ij (272 nm) 로 측정되었다. 또 한 X-선과 양성자 빔을 광원으로 발광스펙트럼을 측정하였 으며 측정결과 자외선과 X-선, 양성자 빔 등의 광원에 대한 발광스펙트럼의 결과는 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
IV. 결 론
본 연구에서는 Gd3+를 도핑한 Li6Y(BO3)3 형광체를 처음으로 제작하였으며 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체를 여러 번 제조하여 비교 분석한 결과 활성제를 5 mol%
첨가하였을 때 가장 높은 발광강도를 보였으며 XRD 분석 결과 밀러 지수 (h, k, l) 는 JCPDS 값의 Li6Gd(BO3)3
(PDF#52-1119) 와 회절 피크의 위치가 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한 SEM image 를 분석한 결과 대략 수 µm 크기의 균일한 입자분포를 보였다. 마지막으로 Li6Y(BO3)3: Gd3+ 형광체를 자외선, X-선, 양성자선 등의 광원으로 여기 시켜 발광스펙트럼을 측정하였으며, 세가지 광원에 대한 측정결과 311 nm (6P7/2 → 8S7/2) 에서 같은 피이크가 나타남을 확인할 수 있었다. Gd3+
를 도핑한 형광체의 경우 f-f 전이로 272 nm 에 대한 발광량은 낮았지만 180 nm 이하의 낮은 파장으로 여기 시키면 발광량을 개선할 가능성이 있다. 참고자료를 살펴보면 상용되는 UV 광원인 BaSi2O5:Pb 보다 Gd 를 도핑한 YAl3(BO3)4의 경우 발광량이 더 높음을 확인할 수 있다 [13]. 따라서 Gd3+를 도핑한 Li6Y(BO3)3 형광체는 발광량을 개선 시켜 의료 및 바이오 분야에서 UV LED (ultra violet light emitting diode) 를 대체할 차세대 광원 으로 친환경적인 인광물질로 적용할 수 있는 가능성이 있다.
감사의 글
이 연구는 산업통상자원부의 소재부품기술사업 (No.
10049569) 에 의하여 지원되었습니다.
REFERENCES
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H. Jeong, Sae Mulli 49, 513 (2004).
[4] K. S. Shim, S. B. Kim, J. H. Jeong, J. S. Bae and S. S. Yi, Sae Mulli 47, 362 (2003).
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[6] G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement (John Willey and Sons, New York, 1999).
[7] H. Y. Won and D. H. Kim, New Phys.: Sae Mulli 63, 319 (2013).
[8] Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/ (ac- cessed Feb. 2, 2007).
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[11] M. J. Oh, Master thesis, Kyungpook National Uni- versity, 2012.
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[13] H. Yoshida, R. Yoshimatsu, M. Minamoto and Y. Nishikage, ECS. Soc, http://www.electrochem.
org/dl/ma/203/pdfs/2454.pdf/ (accessed Nov. 12, 2002).
