Optical properties in MgAl2O4 phosphor

Abstract

MgAl2O4 spinel은 흥미로운 전기적, 기계적, 자성적, 광학적 특성 때문에 여러 분야의 적용을 위해 연구되어 왔다. 더욱이 MgAl2O4 spinel은 광 소자를 위한 모체로도 널리 알려져 있다. 본 연구에서는 티타늄을 MgAl2O4 모체에 도핑하여 단결정 성장으로부터 얻은 청색 발광과는 달리 티타늄 도핑으로부터 백색 발광을 얻었다. 또한 이런 발광 특성을 제 1원리를 이용한 DV-Xα 로부터 얻은 에너지 다이어그램을 이용하여 설명하였다. 백색 발광 피크는 250nm 여기광에서 440, 490, 550, 620nm의 4개 피크로 구성된다. 한편, Ti3+가 4배위 자리에 있을 경우와 Ti4+가 8배위의 자리를 점유하고 있을 때, 490nm와 550nm에 해당하는 녹청색 발광에 기여함을 밝혔다. 반면에 적색 발광에 해당하는 620~710nm 영역대의 발광은 Mg2+와 O2- 공공에 의해서 발생하였다. 또한 combustion method를 이용하여 티타늄이 도핑된 나노 MgAl2O4를 합성에 성공 하였다. 벌크 형광체와 마찬가지로 백색 발광을 보였으나 상대적으로 Ti3+의 비가 많아져 청색의 발광을 포함하였다. 나노 MgAl2O4에서의 발광 피크도 벌크와 마찬가지로 동일한 4개의 피크로 구성되었다. 이는 250nm 여기광에서 벌크의 발광 현상과 동일한 현상에 의해 발광이 되는 것으로 나타났다. 반면에 360nm 여기광에서도 청백색 발광을 보였는데 이는 나노 MgAl2O4 표면에 위치한 티타늄이 발광 소스로 작용하였음을 밝혔다.

한편, 통전 가압 소결을 통하여 티타늄이 도핑된 MgAl2O4 소결체를 얻을 경우 좋은 투과 특성과 함께 청색 발광을 보였다. 소결 시 진공분위기에서 열처리가 진행됨으로 인하여 청색 발광을 보였다. 이는 백색 발광과는 달리 환원 분위기에 의해 Ti3+가 주로 존재하기 때문이다. 희토류 족 원소의 첨가없이 백색 발광 및 청색 발광의 구현이 가능한 티타늄이 도핑된 MgAl2O4는 앞으로 많은 연구가 주목된다.