층상 수산화 황산염 전구체 유래 고효율 업컨버전 나노인광체: La₀.₉₇RE₀.₀₁Yb₀.₀₂O₂S (RE = Ho, Er)

초록

수열 결정화된 층상 수산화 황산염 전구체를 1200°C 흐르는 수소 분위기에서 1시간 어닐링해 상순수 (La₀.₉₇RE₀.₀₁Yb₀.₀₂)₂O₂S 나노인광체(평균 결정립 크기 ≈45 nm; RE = Ho, Er)를 얻었으며, 유일한 배기물은 수증기입니다. 978 nm 레이저 여기(최대 2.0 W) 시 Ho³⁺ 도핑 시료는 녹색(~546 nm), 적색(~658 nm), 강한 근적외선(~763 nm) 발광 보이며 가시광 영역(400-700 nm)에서 (0.30, 0.66) 근처 안정한 색도 좌표 나타냅니다. Er³⁺ 도핑 인광체는 약한 녹색(~527/549 nm), 적색(~668/672 nm) 밴드지만 뚜렷한 근적외선 발광(~807/858 nm) 보입니다. 가시광 색도 좌표가 여기 파워 0.7→2.0 W 증가 시 (0.36, 0.61)→(0.32, 0.64) 이동합니다. 파워 의존성 분석 결과 Ho는 3광자 과정, Er은 2광자 과정으로 업컨버전 메커니즘 통찰 제공.

배경

업컨버전(UC) 인광체는 장파장 복사 단파장 형광 변환으로 고체 레이저, 다색 디스플레이, 생체의료 영상, 태양전지 파장 변환에 핵심적입니다. 일반적으로 Yb³⁺ 같은 감작제가 980 nm 광자 흡수 후 활성화제(Ho³⁺, Er³⁺, Tm³⁺)로 에너지 전달, 사다리꼴 준위 통해 순차적 광자 흡수 가능케 합니다. 란타나이드 옥시황화물(RE₂O₂S)은 황화물 저포논 에너지(~500 cm⁻¹)와 산화물 화학적 안정성 결합으로 할라이드 전구체 독성 회피하며 할라이드급 UC 효율 달성. 그러나 상순수 나노미터급 인광체 제조 스케일러블 합성 경로는 여전히 제한적. 수산화 황산염 층상 전구체(RE₂(OH)₄SO₄·2H₂O) 수열 결정화 후 수소 분위기 환원으로 RE₂O₂S 전환 가능, 최소 부산물 친환경 단일 단계 전환 제공.

방법

출발 염(RE(NO₃)₃·6H₂O, (NH₄)₂SO₄, NH₃·H₂O) 혼합해 2 at.% Yb³⁺, 1 at.% Ho³⁺ 또는 Er³⁺ 달성. 암모니아로 pH 9 조정 후 100 ml 테플론 오토클레이브 밀봉, 100°C 24시간 수열 처리. 생성 수산화 황산염 나노플레이트 수집, 세척, 70°C 건조. 옥시황화물 전환 위해 전구체 흐르는 H₂(200 mL min⁻¹) 1200°C 1시간 어닐링, 승온 속도 5°C min⁻¹. 상순도 XRD(Rigaku RINT2200) 확인, 입자 형태 FE-SEM(Hitachi S-5000) 관찰. UC 스펙트럼 978 nm CW 레이저(BWT KS3-12322-105), JASCO FP-6500 형광분광광도계(S/N ≥ 200) 실온 기록.

결과 및 고찰

수열 생성물 XRD 패턴 층상 수산화 황산염 구조(La₂(OH)₄SO₄·2H₂O) 일치, 어닐링 시료 육방정계 La₂O₂S(공간군 P-3m1) 결정화. 더 작은 RE³⁺ 이온으로 격자 상수 체계적 수축, 고용체 형성 확인. FE-SEM 영상 나노플레이트(150-550 nm × 20-30 nm) 소성 후 둥근 입자 파편화, ~45 nm 결정립 생성.

978 nm 여기 시 Ho³⁺ 시료 강한 녹색(~546 nm), 약한 적색(~658 nm), 우세 근적외선(~763 nm) 밴드 방출, Er³⁺ 시료 약한 녹색(~527/549 nm), 약한 적색(~668/672 nm), 강한 근적외선(~807/858 nm) 방출. Ho 색도 좌표 (0.30, 0.66) 안정, Er은 파워 증가 시 (0.36, 0.61)→(0.32, 0.64) 이동해 녹색-적색 비율 증가 반영.

발광 강도 대 여기 파워 로그-로그 플롯 기울기 Ho 방출 ~3으로 3광자 업컨버전 경로, Er 방출 ~2로 2광자 과정 지시. 문헌 기반 에너지 전달 다이어그램으로 Yb→Ho/Er 순차 여기 단계와 비복사 완화 통해 관측 발광 설명.

결론

수열 성장 수산화 황산염 나노플레이트 수소 유도 환원으로 La₀.₉₇RE₀.₀₁Yb₀.₀₂O₂S(RE = Ho, Er) 업컨버전 나노인광체 성공 제조. 결과 ~45 nm 입자 978 nm 여기 시 밝은 UC 발광: Ho 3광자 녹색-근적외선 캐스케이드, Er 2광자 녹색-적색-근적외선 시퀀스. Ho 색도 고정, Er은 파워 제어 색도 이동. 이 연구 결과 환경 친화적 스케일러블 고성능 UC 인광체 제조 경로 제시, 광전자 및 생물의료 응용 전망.