분무열분해법에서 Zn2SiO4:Mn 형광체의 잔광시간 개선

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

임미애1,2,강윤찬1, 박희동1, 한명완2

1한국화학연구원 화학소재부

2충남대학교 화학공학과

Improvement of decay time of Zn2SiO4:Mn phosphor particles in the spray pyrolysis

Mi Ae Lim1,2, Yun Chan Kang1, Hee Dong Park1, Myung Wan Han2

1Advanced Materials Division, KRICT

2Department of Chemical Engineering, Chungnam National University

서론

정보화 시대를 살아가고 있는 우리는 거의 대부분의 정보를 시각매체를 통해서 얻고 있다. 책, 신문, TV, 전광판 등 과 같은 여러 시각매체를 통하여 현대사회에서 다양한 정보를 얻고 있으며. 특히 전자 통신의 발달로 인하여 TV나 컴퓨터 모니터와 같은 디스플레이를 통하여 많은 정보를 얻고 있다. 그 중에서도 TV나 모니터 디스플레이용으로 주로 사용되고 있는 음극선관(CRT)은 큰 부피와 무게 그리고 높은 구동전압으로 인한 불리한 점이 많아 이를 보완한 평판 디스플레이가 대두되고 있다.[1] 평판 디스플레이에 대한 연구는 최근 활발히 진행중이며, 상용화되고 있는 평판 디스플레이는 대형화, 디지털화, 고화질화 등이 용이한 플라즈마 디스플레이패널(Plasma display panel)이다. PDP는 자발광 특성과 함께 얇고 가벼운 대화면 평판 디스플레이로 21세기 멀티미디어 시대의 표시소자로서 각광받고 있다.[2]

플라즈마 디스플레이는 기체 방전을 이용한 표시소자로서 full color의 우수한 패널 제작을 위해서는 고효율, 고색순도, 고휘도 및 긴 수명을 갖는 형광체의 개발이 필수적이다. PDP용으로 사용되는 형광체는 고른 입도 분포와 구형에 가까운 형상을 가질수록 좋은 효율을 가지며, 진공자외선이 형광체 내부로 침입할 수 있는 깊이는 수십에서 수백 나노미터에 불과하기 때문에 형광체의 표면특성이 매우 중요한 것으로 알려져 있다.[3] 따라서 구형의 고른 입도를 가진 형광체를 제조하기 위해서 여러 가지 제조방법이 이용되고 있다. 이 중 액상법에 의한 형광체 제조에는 균일침전법[4]과 졸-겔법[5]이 많이 적용되고 있다. 기상법인 분무열분해법에 의해서도 형광물질이 제조되어지고 있다.[6~8]

녹색 형광체인 Zn2SiO4:Mn은 PDP용으로 주로 사용되고 있으며, lab-scale 규모의 분무열분해법에 의해 제조된 녹색 형광체 분말들은 고른 입도 분포와 구형의 형태를 가진다. 반면에 scale-up된 조건하에서 분무열분해법에 의해 제조된 분말들은 구형의 형태를 유지하지 못하고 입자표면이 함몰된 구조를 지니게 된다. 그리하여 실리콘의 전구체 물질로서 TEOS대신 fumed silica 분말을 도입하게 되었다. Scale-up된 분무열문해법에서 fumed silica를 이용하여 제조된 형광체 분말들은 구형의 형태를 지니게 되었다.[9] 이와같이 형태변화가 생기는 이유는 fumed silica 분말 입자들이 액적내에서 치밀한 구조의 분말들이 제조되도록 seed 역할을 하기 때문이다. 뿐만아니라 이러한 치밀한 구조를 가지는 구형의 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들은 활성제인 망간의 고른 분포를 가지기 때문에 상용품보다 좋은 발광특성을 가진다.

PDP용 형광체에서 또 하나 고려해야 할 사항은 잔광시간이다. 0.1 msec 이하로 너무 짧으면 화면상의 점멸 효과가 생기며 반대로 10 msec 이상으로 너무 길면 잔상이 남는다. 일반적으로 PDP용 형광체의 잔광시간은 화면상 인간의 눈이 인지하는데 무리가 없는 1~5 msec가 가장 적당하다.[10] 하지만 제조된 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들은 여전히 상용으로 쓰이는 형광체 분말보다 긴 잔광시간을 가진다. 이러한 잔광시간을 줄이기 위해서 활성제로 사용되는 망간의 농도와 열처리 온도를 변화시켜 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말을 제조하여 분말의 발광특성과 잔광시간을 비교하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

실험방법

분무열분해법의 가장 일반적인 분말 제조공정인 초음파 분무열분해법에 의해  Zn2SiO4:Mn 전구체 분말들을 제조하였다. Zn2SiO4:Mn 전구체 분말들을 대량생산하기 위해 반응기 크기를 늘이고, gas의 유량을 증가시켜 분무열분해장치를 scale-up하였다. 초음파 액적발생 장치에서 발생하는 액적들은 수직의 관형 반응기 내부에서 건조와 열분해 과정을 거쳐 입자로 전환된다. 실리콘의 원료로서는 fumed silica 분말을 사용하였다. Fumed silica 분말을 이용할 때는 반응하기 좋은, 작은 입자 크기로 분산시키기 위해 증류수에 넣고 일정 시간동안 교반시킨다. 용액의 총 농도는 2.0M로 하였으며 망간의 도핑 농도는 5몰%에서 12몰%로 변화시켰다. 반응기 온도는 800oC로 일정하게 유지시켜 Zn2SiO4:Mn 전구체 분말을 제조하였다. 운반기체로는 공기를 사용하였으며, 이때 공기의 유량은 45L/min이며 체류시간은 0.6초였다. 초음파 분무열분해법에 의해 제조되어지는 전구체 분말들은 1050oC에서 1155oC까지 변화시켜 5시간씩 열처리하였다.

결론

녹색 형광체인 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들은 초음파 분무열분해법에 의해 제조되었다. Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들은 구형의 형태를 지니며 상용품보다 좋은 발광특성을 가졌다. 하지만 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들은 여전히 잔광시간이 길어서 플라즈마 디스플레이 패널에 적용하기는 아직 문제가 있다. 이러한 잔광시간을 개선하기 위해서 활성제로 사용하는 망간의 농도를 변화시켜 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말을 제조하였다. 이러한 망간 농도의 변화는 형광체 분말들의 발광특성과 잔광시간에 영향을 주었다. Fig. 1에서 보여지듯이 망간의 농도가 증가하면 할수록 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말의 발광세기는 점점 감소하였다. 심지어 망간의 농도가 11mol% 이상 사용되었을 때는 형광체 분말의 발광특성이 상용품보다 훨씬 떨어졌다. 또한 제조된 형광체 분말의 잔광시간도 망간 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향성을 띠었다. 그 중에서도 망간의 농도가 10mol%일 때는 잔광시간이 상용품보다 좀 길지만 발광특성 면에서는 상용품보다 좋았다.

Zn2SiO4:Mn 형광체 분말들의 잔광시간은 망간 농도 뿐만아니라 열처리 온도에 의해서도 영향을 받았다. 활성제인 망간의 농도를 10mol%로 고정하고 열처리 온도를 1050oC에서 1155oC까지 변화시켰다. 열처리 온도가 높으면 높을수록 형광체 분말들의 잔광시간은 점점 줄어들었으며, 1155oC에서 열처리한 형광체 분말들은 상용품보다 더 짧은 잔광시간을 가졌다. 또한 1155oC에서 열처리한 분말의 형태는 Fig. 2에서 보여지듯이 구형의 형태를 지녔으며, 발광특성도 상용품보다 좋았다. 즉 열처리온도의 증가는 망간이 wilemite 구조내의 zinc자리로 잘 치환되도록하여 Zn2SiO4:Mn 형광체 분말의 발광특성과 잔광시간을 획기적으로 개선하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1. 이종덕, 전자 디스플레이, 11, 14 (1996).

2. 이준신, 한국정보디스플레이학회지, 1(1), 25 (2000).

3. 박희동, 강윤찬, 한국정보디스플레이학회지, 2(6), 63 (2001).

4. Chang, I. F., Brownlow, J. W., Sun, T. I. and Wilson, J. S., J. Electrochem. Soc., 136, 3532 (1989).

5. Morimo, R. and Matae, K., Mater. Res. Bull., 24, 175 (1989).

6. Kang, Y. C., Park, S. B., Lenggoro, I. W. and Okuyama, K., J. Phys. Chem. Solids, 60(3), 379 (1999).

7. Kang, Y. C., Lenggoro, I. W., Park, S. B. and Okuyama, K., J. Solids State Chem., 146, 168 (1999).

8. Kang, Y. C., Lenggoro, I. W., Okuyama, K. and Park, S. B., J. Electrochem. Soc., 146(3), 1227 (1999).

9. Kang, Y. C., Park, H, D. and Lim, M. A., J. Info. Display, 2(4), 57 (2001).

10. 문성인, 신용윤, 허영덕, 김유혁, 공명선, 화학세계, 6(37), 26 (1997).

Fig.1 Emission spectra of Zn2SiO4:Mn phosphor particles.

Fig.2 SEM photograph of Zn2SiO4:Mn phosphor particles.