숭실대학교 신소재공학실험2 산화물 형광체 분말 합성 예비보고서

본 내용은 " 숭실대학교 신소재공학실험2 산화물 형광체 분말 합성 예비보고서 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2024.08.27

문서 내 토픽

• 1. 고상법(Solid state reaction)

  고체상 반응법이라고도 불리는 고상법은 고체입자의 확산을 통해 입자를 제조하는 방법이다. 산화물 상태에서의 고체 상태의 입자들을 섞은 후 고온에서의 열처리와 밀링 공정을 거쳐 화합물을 생성할 수 있다. 고상법을 이용한 대표적인 반응은 BaTiO3 분말 제조이다.

• 2. BaTiO3 분말 제조

  BaCO3와 TiO2를 혼합하고 고온에서 고상 확산 반응을 시켜 BaTiO3 분말을 제조할 수 있다. 이 반응은 3단계로 구분되는데, 먼저 BaCO3와 TiO2가 반응하여 BaTiO3가 형성되고, 이후 BaTiO3와 BaCO3가 반응하여 중간상인 Ba2TiO4가 형성된다. 마지막으로 Ba2TiO4와 TiO2가 균일화 반응하여 최종적으로 BaTiO3 분말이 생성된다.

• 3. 인광(Phosphorescence)

  인광은 물체에 빛이 쬐여진 후 빛을 제거해도 발광이 지속되는 현상이다. 인광 물질의 분자 내부에 있는 전자가 빛을 흡수할 때, 전자는 에너지를 흡수하게 되고 들뜬 상태로 변화한다. 이후 intersystem crossing을 통해 삼중항 상태로 변하게 되는데, 이 상태에서는 빛을 즉시 재방출할 수 없어 긴 이완 시간을 가지게 된다.

• 4. 형광(Fluorescence)

  형광 현상 또한 빛을 흡수하고 다시 방출하면서 발생하는 현상이다. 형광의 경우 단일항만 존재하기에 25%만을 발광에 사용할 수 있지만, 인광은 삼중항 상태로 변하는 75%를 발광에 이용할 수 있다. 따라서 인광은 빛을 제거해도 일정 시간 색을 띠는 반면, 형광은 빛을 비출 때에만 발생한다.

• 5. 형광체의 구성

  형광체는 Host와 Activator로 이루어져 있다. Host는 활성제를 잡아주는 역할을 하는 물질로, 모체에 의한 흡수와 이 흡수된 에너지가 얼마나 효율적으로 활성제로 이동하느냐에 따라 효율이 정해진다. Activator는 실제로 빛을 내는 이온으로, 이 이온의 기저 준위와 여기 준위 사이의 전이에 의해 에너지를 흡수 또는 방출한다.

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• 1. 고상법(Solid state reaction)

  고상법은 고체 상태에서 화학 반응이 일어나는 방법으로, 일반적으로 고온에서 진행됩니다. 이 방법은 비교적 간단하고 경제적이며, 다양한 세라믹 재료를 제조하는 데 널리 사용됩니다. 고상법의 장점은 반응 물질들이 균일하게 혼합되어 있어 균일한 조성의 최종 생성물을 얻을 수 있다는 것입니다. 또한 반응 조건을 잘 조절하면 원하는 결정 구조와 미세 구조를 가진 세라믹 재료를 제조할 수 있습니다. 그러나 고상법은 반응 속도가 느리고 고온에서 진행되어야 한다는 단점이 있습니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최근에는 기계적 활성화, 마이크로웨이브 가열 등의 방법이 개발되고 있습니다.

• 2. BaTiO3 분말 제조

  BaTiO3는 대표적인 강유전체 세라믹 재료로, 압전 효과, 강유전 특성, 높은 유전율 등의 우수한 특성으로 인해 다양한 전자 소자에 널리 사용됩니다. BaTiO3 분말은 고상법, 액상법, 기상법 등 다양한 방법으로 제조할 수 있습니다. 고상법은 간단하고 경제적이지만 반응 속도가 느리고 불순물 혼입 가능성이 있습니다. 액상법은 균일한 조성과 미세한 입자 크기를 얻을 수 있지만 공정이 복잡합니다. 기상법은 고순도의 분말을 얻을 수 있지만 장비 투자 비용이 높습니다. 따라서 목적에 따라 적절한 제조 방법을 선택해야 하며, 최근에는 이러한 방법들을 결합한 하이브리드 공정도 개발되고 있습니다.

• 3. 인광(Phosphorescence)

  인광은 물질이 빛을 흡수한 후 일정 시간 동안 발광하는 현상을 말합니다. 이는 전자가 들뜬 상태에서 기저 상태로 천천히 떨어지면서 에너지를 방출하는 과정에서 일어납니다. 인광 물질은 발광 시간이 길어 야간 표시, 발광 안전 표지판, 발광 페인트 등 다양한 분야에 활용됩니다. 대표적인 인광 물질로는 ZnS:Cu, SrAl2O4:Eu, CaAl2O4:Eu 등이 있습니다. 이들 물질은 장시간 발광하는 특성으로 인해 안전성과 편의성이 높아 실생활에서 널리 사용되고 있습니다. 향후 인광 물질의 발광 효율과 발광 시간을 더욱 향상시키는 연구가 필요할 것으로 보입니다.

• 4. 형광(Fluorescence)

  형광은 물질이 빛을 흡수한 후 즉시 발광하는 현상을 말합니다. 이는 전자가 들뜬 상태에서 기저 상태로 빠르게 떨어지면서 에너지를 방출하는 과정에서 일어납니다. 형광 물질은 발광 시간이 짧지만 발광 효율이 높아 디스플레이, 조명, 의료 진단 등 다양한 분야에 활용됩니다. 대표적인 형광 물질로는 YAG:Ce, CdSe/ZnS 양자점, 유기 형광 물질 등이 있습니다. 이들 물질은 빠른 응답 속도와 높은 발광 효율로 인해 LCD, OLED 디스플레이, 백색 LED 등에 널리 사용되고 있습니다. 향후 형광 물질의 발광 효율과 색 순도를 더욱 향상시키는 연구가 필요할 것으로 보입니다.

• 5. 형광체의 구성

  형광체는 일반적으로 발광 중심 이온, 호스트 물질, 그리고 활성제로 구성됩니다. 발광 중심 이온은 빛을 흡수하고 발광하는 역할을 하며, 대표적으로 희토류 이온(Eu3+, Tb3+, Ce3+ 등)이 사용됩니다. 호스트 물질은 발광 중심 이온을 안정적으로 담지하고 발광 특성을 향상시키는 역할을 하며, 산화물, 할로겐화물, 황화물 등이 사용됩니다. 활성제는 발광 중심 이온의 발광 효율을 높이거나 발광 파장을 조절하는 역할을 하며, 주로 다른 희토류 이온이나 전이 금속 이온이 사용됩니다. 이러한 구성 요소들의 조합과 최적화를 통해 다양한 특성의 형광체를 개발할 수 있습니다. 향후 형광체 개발 연구에서는 새로운 발광 중심 이온과 호스트 물질의 탐색, 활성제 최적화, 나노 구조 제어 등이 중요할 것으로 보입니다.