[Physics] Luminescence (발광)의 종류

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1. 발광(Luminescence)의 정의와 특성:

고온이 아닌 상태에서
물질이 외부 에너지(X-ray, 전자빔, 화학반응 등) 를 흡수하여
빛(EM)을 방출하는 현상

 

열 방출 이외의 방법으로 물질이 빛을 방출하는 현상을 총칭하는 용어임.

• 물질이 에너지를 흡수하고 이를 빛의 형태로 방출하는 과정을 포함함.
• 발광의 강도, 파장, 지속 시간은 물질의 특성과 에너지 흡수 방식에 따라 다양하게 나타남.

열방출(Thermal emission):
물체의 온도에 의해 발생하는 전자기 복사임.
백열(Incandescence, 가열발광):
Thermal emission의 한 종류로 visible photon이 방출(그 외 영역의 photon도 포함되나)하여
빛으로 우리 눈에 보이는 경우 한정.
발광(Luminescence):
열 이외의 다른 형태의 에너지가 빛으로 전환되는 현상임.

열방출(thermal emission)을 좀 더 넓게 표현하면 열복사(thermal radiation)에 해당함. 이들의 관계는 다음과 같음.

• 열방출: 물체가 열에너지를 전자기파의 형태로 방출하는 현상을 주로 지칭함.
• 열복사: 열방출을 포함하며, 열에너지의 전파 과정 전체를 아우르는 더 넓은 개념임.

2022.04.05 - [.../Physics] - Thermal Radiation (열복사): Blackbody Radiation, Wien’s Law, IR

Thermal Radiation (열복사): Blackbody Radiation, Wien’s Law, IR

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2. 주요 발광 종류의 상세 설명:

a) 인광(Phosphorescence):

빛 에너지를 흡수하고 오랜 시간에 걸쳐 발광하는 현상임.

• 여기 상태(excited state)에서 준안정 상태(metastable state)를 거쳐 기저 상태로 천천히 전이하는 과정을 포함함.
• 발광 지속 시간이 밀리초에서 수 시간까지 길게 나타남.
• 야광 제품, 일부 디스플레이 기술 등에 응용됨.

에너지 저장과 장시간 발광이 필요한 분야에서 중요한 역할을 함.

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b) 형광(Fluorescence):

빛 에너지를 흡수하고 거의 즉시 더 긴 파장의 빛을 방출하는 현상임.

• 여기 상태(excited state)에서 기저 상태로 빠르게 전이하는 과정을 포함함.
• 발광 지속 시간이 나노초 단위 (10⁻⁸ ~ 10⁻⁹ s) 로 매우 짧음.

• 생물학적 이미징, 형광등, 화학 센서 등에 널리 사용됨.

빠른 반응 시간과 높은 감도가 요구되는 응용 분야에서 중요함.

 

빛을 받으면 빠르게 들뜬 상태로 전환되고 즉시 빛을 방출하므로 광원이 제거되면 곧바로 빛 방출이 멈춤: 차선, 도로표지판, 생명공학, 위폐 감식

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c) 섬광(Scintillation):

고에너지 입자나 방사선에 의해 유도되는 짧고 강한 빛의 발광 현상임.

• 기본적으로 형광의 한 종류로 볼 수 있으나, 특수성으로 인해 종종 별도로 다뤄짐.
• 발광 지속 시간이 나노초에서 마이크로초 단위로 매우 짧음.

주로 방사선 검출, 입자 물리학 실험, 의료 영상(PET 스캔 등)에 활용됨.
고에너지 물리학과 의료 분야에서 중요한 역할을 함.

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d) 세 현상의 비교:

• 에너지 소스: 인광과 형광은 주로 자외선이나 가시광선, 섬광은 고에너지 입자나 방사선임.
• 발광 속도: 인광이 가장 느리고, 형광과 섬광은 빠름.
• 응용 분야:
  • 인광: 야광 제품, 장시간 지속되는 안전 표지판, 시계 문자판, 광저장 재료, 일부 디스플레이 기술
  • 형광: 생물학적 이미징, 형광 현미경, DNA 시퀀싱, 형광등, 화학 센서, 세포 표지, 법의학 분석, 미술 작품 감정
  • 섬광: 방사선 검출기, 입자 물리학 실험, 의료 영상(PET/CT 스캔), 공항 보안 검색대, 우주선 검출, 방사선 모니터링.
• 물질 특성: 각 현상에 적합한 특수한 물질이 사용됨 (예: 섬광체, 형광체, 인광체).
• 에너지 전이 과정: 각 현상마다 고유한 에너지 준위 전이 과정을 가짐.

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3. 기타 발광의 종류:

a) 화학발광(Chemiluminescence):

• 화학 반응에 의해 빛이 발생하는 현상임.
• 생물발광(Bioluminescence)은 생물체 내의 화학발광의 한 형태임.

b) 전기발광(Electroluminescence):

• 전기장이나 전류에 의해 빛이 발생하는 현상임.
• LED, OLED 등의 기술에 응용됨.

c) 열발광(Thermoluminescence):

• 물질을 가열했을 때 저장된 에너지가 빛으로 방출되는 현상임.
• 방사선 측정, 연대 측정 등에 활용됨.

d) 마찰발광(Triboluminescence):

• 물질에 기계적 응력을 가할 때 발생하는 빛임.
• 일부 결정을 부술 때 관찰될 수 있음.

e) 음파발광(Sonoluminescence):

• 강한 음파에 의해 액체 내 기포가 붕괴될 때 발생하는 빛임.

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4. 결론:

• 발광은 다양한 메커니즘과 특성을 가진 여러 종류로 구분됨.
• 각 발광 종류는 고유한 특성과 응용 분야를 가지고 있음.
• 이들의 이해와 활용은 현대 과학 기술의 중요한 부분임.