Y₂O₃:Pr³⁺ 나노분말의 Pr³⁺ 도핑 농도와 어닐링 온도에 의한 광학적 특성

정경복, New Physics: Sae Mulli 71, 568 (2021).

▲(a) Pr³⁺ 도핑농도에 따른 Y₂O₃:Pr³⁺ 형광체 나노분말의 광발광스펙트럼. (b) 어닐링 온도에 따른 Y₂O₃:Pr³⁺ 형광체 나노분말의 광발광스펙트럼.

형광체 변환 백색 발광다이오드(Phosphor-converted white light-emitting diodes, pc-WLEDs)는 저전력, 장수명, 견고성, 친환경 등의 장점으로 조명, 디스플레이, 의료 등 다양한 분야에서 활발히 활용되고 있으며 연구에 큰 관심을 불러일으키고 있다. 본 연구에서는 고에너지 볼밀링 방법을 이용하여 프라세오디뮴 이온(praseodymium, Pr³⁺)을 도핑한 Y₂O₃ 나노분말을 합성하였고, Pr³⁺ 이온의 농도와 어닐링 온도에 따른 Y₂O₃:Pr³⁺ 형광체 나노분말의 구조적 특성과 광학적 특성을 연구하였다. Y₂O₃:Pr³⁺ 형광체 나노분말의 광발광(photoluminescence, PL)은 파장 285 nm로 여기시켰을 때 Pr³⁺ 이온의 4f-5d 천이에 의해 630 nm에서 강한 발광 피크가 나타났다. Pr³⁺ 이온의 도핑농도가 증가하면서 광발광 세기는 급격하게 감소하였다(그림 a). 이는 농도 소광(con- centration quenching) 현상에 기인한 것으로 보인다. 어닐링 온도에 의한 광발광 특성은 온도가 증가하면서 광발광의 세기가 증가하였으며 1200 ℃에서 최대값을 나타내었다(그림 b). 그래프 안에 첨부된 이미지는 Y₂O₃:Pr³⁺ 형광체 나노분말에 365 nm의 UV 램프를 조사하였을 때 Pr³⁺ 이온의 도핑농도와 어닐링 온도에 따른 형광이미지이다. Pr³⁺ 이온의 도핑농도 0.1 mol%, 어닐링온도 1200℃에서 가장 강한 형광을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

용매열합성법으로 제작된 헤파필터/미세먼지 기반 탄소점의 특성 분석

정종원, 양현경, New Physics: Sae Mulli 71, 574 (2021).

▲사용된 헤파필터 이미지와 이를 이용하여 제작된 탄소점과 형광 특성 및 응용성.

최근 미세먼지 등과 같이 대기질 오염이 심각하여 쾌적한 실내활동을 위하여 공기청정기의 사용이 필수적인 상황이다. 이러한 공기청정기에는 외부의 오염 물질을 포집하기 위하여 헤파필터를 사용하게 되는데 이렇게 사용되어진 헤파필터 및 포집된 먼지는 재활용이 거의 이루어지지 않고 쓰레기로 분류되어 소각되거나 매몰 등의 형태로 버려지고 있어, 2차 환경오염의 문제가 발생하고 있다.

본 연구는 쓰레기로 분류되어 버려지는 헤파필터/미세먼지를 이용하여 탄소점을 제작하고, 그 특성을 분석하여 관련 분야의 응용성을 제안하는 것을 목표로 한다. 제작된 탄소점의 평균 입자크기는 약 4.90 nm의 둥근 형상의 입자를 가지며, 라만 스펙트럼을 분석하여 1371 cm^-1 부근의 D-band와 1575 cm^-1 부근의 G-band의 구조적 특성과 산란세기 비율 \(\small I_{G} / I_{D}  \approx -1.1\)로 높은 결정성이 나타나는 것을 확인하였다. XPS 스펙트럼을 분석하여, C=C결합을 가지는 C1s와 C=O, C-O의 결합을 가지는 O1s 결합밴드를 가지는 것을 확인하였다. 제작된 탄소접은 하이드록시기 및 에스터 작용기들이 있는 FT-IR 분석을 통해 확인하였다. 효율적인 탄소점의 제작을 위하여 에탄올 이외에 물과, 2-PrOH와 같은 다른 용매를 사용하여 제작한 결과 에탄올에서 가장 우수한 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 제작된 탄소점은 자연광에서는 투명한 갈색 용액의 색상을 보여주지만, 자외선 광을 조사 시 청색의 빛을 발광하는 것을 확인할 수 있었다(그림).

이러한 연구 결과를 통하여 제작된 탄소점은 LED의 연색성 개선, 태양전지 효율 향상, 지문검출 및 위변조 방지에 사용 가능할 것으로 판단된다.