형광체(Phosphor)

개요

형광체란 외부의 에너지를 받아 발광 현상을 나타내는 물질을 총칭한다(보통 자외선, 가시광선 영역대의 빛을 방출하는 물질을 가리키며, 적외선 등 열선을 방출하는 물질은 형광체로 지칭하지 않는다.) 외부의 에너지는 자외선(형광등, LCD 등), 전기에너지(LED), 음극선 등 전자빔(CRT) 등 다양한 형태가 될 수 있다.

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형광체의 원리

자블론스키 도표(Jablonski Diagram)는 형광체 결정구조의 에너지 수준에 따른 형광체의 원리를 잘 나타낸다. 형광체를 구성하는 전자는 바닥상태(S0)에 있다가 외부의 에너지를 받아 들뜬상태(S1)로 여기(exitation)된다. 들뜬상태의 전자는 다시 바닥상태로 이동하려는 성질이 있기 때문에 에너지를 외부로 방출하면서 들뜬상태에서 바닥상태로 전이(transition)한다. 이 때, 받은 에너지를 그대로 외부로 방출하는 것이 아니라, 도표에서 보는 것과 같이 형광이 일어나지 않는 약간 작은 에너지 방출이 일어난 후 발광(fluorescence)을 일으키며 바닥상태로 전이한다.

이와 같은 전이과정은 수 ms 이하로 빠르게 발생할 수도 있으며, 며칠에 걸쳐 서서히 발생하기도 한다. 따라서 장시간에 걸쳐 빛을 서서히 방출하는 물질을 축광체라고 하며 야광, 형광 장난감, 화재시 지시 표지물 등으로 다양하게 사용된다.

형광체는 보통 전이 금속, 희토류 금속으로 구성된 화합물이다. 무기 형광체 물질 내부의 결정구조의 불균형은 미량의 첨가물질(dopant)를 첨가하여 생성된다. 형광체에서 발생하는 빛의 색깔, 자외선, 가시광선 여부 등은 발생하는 빛(에너지)의 파장에 따라 틀려진다. 발생하는 에너지의 크기 즉 파장은 원자 자체와 주변 결정 구조에 따라 달라진다.

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그림. 자블론스키 도표(출처 : wikipedia.org)

 

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형광체의 생산공정/주요한 형광체

형광체는 보통 미량의 불순물(dopant)가 첨가된 적절한 전이금속 등으로 구성된 화합물이다. 산화물, 질화물, 황화물 등 다양한 무기물이 형광현상을 이용한다.

형광체는 졸겔(sol-gel)공정 등 다양한 무기물 생산공정으로 만들어지며, 보통 500 ~ 1500 °C 사이의 소결공정을 통해 생산되며, 형광물질에 따라 분쇄, 혼합, 소결 등이 복합된 다양한 공정에 의해 생산된다.

보통의 형광체들은 습기 등에 의해 성능이 떨어지는 경향이 있기 때문에 보관 혹은 제조시 습기에 영향을 받지 않도록 해야 한다.

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형광체의 용도

형광체는 우리 생활에서 빛을 발생하는 물질 대부분에 사용된다. LCD 디스플레이의 backlght, PDP 디스플레이의 패널, LED 패널, LED lamp, 형광등에서 외부에서 자외선, 혹은 전자를 받아 빛을 내는 물질이 대부분 형광체이다. 또한 낮에 빛을 받아 밤에 빛을 내는 장난감, 화재 지시 테이프 등에도 형광 페인트가 사용된다.

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주요한 형광체(예시)

(Ca,Sr)S:Bi는 최대 12시간까지 빛과 함께 푸른 빛을 내는 축광 형광체이다. (보통 반도체성 물질을 표현할 때 콜론(:) 뒤의 물질은 소량 첨가되어 형광체 등의 활성을 일으키는 물질(dopant)를 나타낸다.)

ZnS:Cu 야광 완구 및 품목에 가장 많이 사용되는 형광체이다.

ZnS, CdS의 혼합물 역시 긴 축광시간을 보인다.

SrAl₂O₄:Eu(II):Dy(III)는 밝기가 높고 야광 지속성이 현저히 녹색 형광체로 200 ~ 450 nm의 빛을 흡수하여, 490 ~ 520 nm 정도의 녹색 빛을 방출한다.

BaMgAl10O17:Eu는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)의 청색 형광체로 많이 쓰이던 물질로 BAM Blue라고도 한다. doopant인 Eu(II)는 제조과정에서 Eu(III)가 되기 때문에 형광체의 수명연장을 위해 보통 환원분위기에서 제조한다.

ZnS 기반의 형광체는 CRT와 FED에서 많이 사용되었다.

Zn₂SiO₄:Mn은 LCD, 3파장램프, PDP의 녹색광에 사용되는 형광체이다.

Y₂O₃:Eu(III)는 3파장 램프 등에도 많이 사용되는 Red 형광체이다.

GaN, GaAs 등은 LED에 다양하게 사용되는 형광체이다.