발광(Photoluminescence)와 형광(Fluorescence), 인광(Phosphorescence) 용어 및 관련 배경 지식 정리

광루미네선스 (Photoluminescence, PL, 광발광)

광발광이란 어떤 물질이 광자를 흡수한 후에 빛을 방출하는 현상을 말한다. 다시 말해 빛이 물질에 충돌하고, 그 결과로 물질이 빛을 방출하는 현상을 말한다. 일반적으로 빛이 물질의 전자를 격발 시키고, 이후 전자가 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 방출되는 빛을 포함한다. 이 과정은 주로 단일 물질의 원자나 분자 수준에서 일어나며, 흔히 광학 및 전자 구조의 특성을 연구하는 데 사용된다.

광발광은 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 예를 들어, 반도체 산업에서는 반도체 소자의 특성을 조사하고 향상시키기 위해 Photoluminescence 스펙트럼을 측정해 물질의 전자 상태를 연구한다. 또한 화학 분야에서는 화합물의 특성 및 반응을 이해하기 위해 Photoluminescence를 이용하는 등 다양한 응용 분야가 있다.

 

광발광은 두 가지 주요 유형으로 나뉜다.

1. 형광 (Fluorescence)

- 형광은 물질이 외부에서 받은 광자(빛)를 흡수하고, 그 결과로 빛을 방출하는 현상을 말한다. 이는 물질의 전자 상태 변화에 기인하며, 일반적으로 자외선 광자를 흡수하고 가시광선을 방출하는 것이 특징이다. 플루오로포어(Fluorophore, 형광단)라고 불리는 이러한 형광 화합물들은 다양한 분야에서 활용된다.

• 형광 원리
  1. 흡수(Absorption): 형광단은 일반적으로 자외선 영역의 광자를 흡수한다. 이때 흡수된 에너지로 인해 분자 내의 전자가 높은 에너지 상태로 이동한다.
  2. 여기(Excitation): 흡수된 에너지로 인해 전자가 높은 에너지 상태에 위치하는 동안, 형광단은 여기 상태에 머무른다.
  3. 방출(Emission): 여기 상태에서 전자가 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 물질은 에너지를 방출하게 되고, 이것이 형광으로 관찰되는 빛이다. 
• 응용 분야
  1. 생물학 및 의학: 형광 세포 염색과 형광 센서를 통해 생물학적 구조 및 활동을 연구하고 진단에 활용된다. 형광 현미경과 형광 흐름 세포순환법은 이러한 원리를 기반으로 한다.
  2. 화학 및 화합물 검출: 화합물의 존재 및 농도를 측정하는 데에 사용된다. 화학반응 및 과정을 추적하는 데 유용하며, 화합물의 환원 및 산화 상태를 연구하는 데에도 활용된다.
  3. 환경 모니터링: 플루오로포어를 이용한 센서는 환경오염 물질을 탐지하고 감지하는 데 사용됩니다. 물질의 농도나 환경 조건의 변화를 실시간으로 감지할 수 있다.
  4. 물질 연구 및 반도체 산업: 반도체 소자의 특성을 조사하고 향상시키기 위해 형광을 사용하여 물질의 전자 상태를 연구한다.

 

2. 인광 (Phosphorescence)

- 인광은 물질이 외부에서 받은 광자(빛)를 흡수하고, 그 결과로 흡수된 빛보다 낮은 에너지를 가진 빛을 지연된 시간 후에 방출하는 현상이다. 인광은 형광과 비슷하지만, 방출되는 빛이 더 오랜 시간 동안 지속된다.

• 인광 특징
  1. 지연 방출: 인광은 형광과 달리 방출이 지연되어 나타난다. 이는 전자가 여기 상태에 더 오랜 시간 머물러 있기 때문이다.
  2. 에너지 손실: 인광에서 방출되는 빛은 흡수된 빛보다 낮은 에너지를 가진다. 이는 일종의 에너지 손실로 이해할 수 있다.
• 인광 원리
  1. 흡수(Absorption): Phosphor(인광물질, 형광체)라 불리는 물질은 광자를 흡수하여 전자를 높은 에너지 상태로 이동시킨다.
  2. 여기(Excitation): 흡수된 광자에 의해 전자가 높은 에너지 상태에 위치하면서 Phosphor는 여기 상태에 있게 된다. 이 상태는 일반적으로 형광에서보다 더 오랜 시간 지속된다.
  3. 지연 방출(Delayed Emission): 여기 상태에서 전자가 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 물질은 빛을 방출한다. 이 방출은 일반적으로 지연되어 나타나며, 형광보다 더 긴 시간 동안 지속된다.
• 응용 분야
  1.  형광 시계 및 시계의 인디게이션: 빛을 흡수하고 지연된 방출로 시간 동안 빛을 방출하는 물질을 사용하여 시계 및 시계의 인디게이션에 활용된다.
  2. 생물학적 조직 표지 및 의료 이미징: 일부 형광 물질은 생체 조직 내에서 사용되어 조직 구조를 시각화하고 의료 이미징에 활용된다.
  3. 발광 소재 및 LED: 일부 Phosphor는 빛을 흡수하고 방출하여 LED 및 발광 소재에 사용되어 활기찬 빛을 만든다.

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Jablonski diagram

 

Jablonski Diagram (야블론스키 다이어그램)

Jablonski Diagram은 분자나 원자 등의 물질이 빛을 흡수하고 방출하는 과정을 그림으로 나타낸 것이다. 이 다이어그램을 통해 형광 및 인광 관련 빛의 상호작용을 시각적으로 이해할 수 있다.

바닥상태(Ground state)에 있던 분자가 빛을 흡수하여 들뜬 전자 상태(Excited state)가 되면 이로부터 여러 변화가 일어난다. 여기된 분자는 내부 전환(internal conversion)이나 진동 이완(vibrational relaxation)과 같은 매우 빠른 과정을 거쳐 여기 상태 중 가장 낮은 에너지 상태인 S1 상태로 가게 된다. 이때 쌍을 이루지 못한 상태의 전자는 T1과 같은 삼중항 상태로 이동하고, 결국 전자는 S1에서 S0로 이동하며 빛을 방출하는 것이 형광, 혹은 T1에서 S0으로 이동하며 빛을 방출하는 것이 인광 현상으로 발생하게 되는 것이다.

이때 빛의 흡수(absorption)는 as (1as=10^-18 sec) 영역에서, 내부 전환은 ps (1ps = 10^-12 sec) 영역에서, 형광은 ns (1ns = 10^-9 sec) 영역에서 일어날 만큼 굉장히 빠른 시간 내에 발생하는 현상이다. 발광체는 보통 10^-15 sec 이내로 빛을 흡수하고, 내부 전환이나 진동 이완 같은 현상은 10^-14 ~ 10^-11 sec 이내로 발생하며, 형광은 10^-9 ~ 10^-6 sec, 인광은 10^-4 ~ 10^2 sec 정도 범위에서 발생한다. 따라서 매우 빠른 분석이 요구될 때, 발광은 데이터 분석에 매우 유용한 툴로 사용된다.

많은 분자들은 바닥상태에서 전자들이 쌍을 이루고 있으므로 바닥상태는 단일항(singlet) 상태이다. 이때 에너지가 높아지는 순서로 들뜬 단일항 상태들을 S1, S2와 같이 Sn으로 나타낼 수 있다. 들뜬상태는 삼중항(triplet) 상태와 짝을 이루며 존재하는데, 삼중항 상태는 짝을 이루는 단일항 상태보다 항상 에너지가 낮다, 즉 항상 더 안정하다.

야블론스키 다이어그램에서 볼 수 있듯, 발광체가 흡수한 에너지는 항상 형광 또는 인광의 형태로 방출된 빛의 에너지보다 더 크다. 다시 말해, 흡광 에너지가 방출 에너지보다 항상 더 크고, 파장의 관점에서 보면 방출 파장이 항상 더 길다. 이러한 현상을 Stokes Shift(스토크스 쉬프트)라 부르는데, 흡수 파장과 방출 파장 에너지 차이를 의미한다. 형광 분석 시 방출 파장을 분석 대상으로 하는 경우가 많은데, 이 경우 여기 파장과 방출 파장의 거리가 멀수록 분석에 용이한 이점이 있다.

 

Stokes Shift (출처: 위키피디아)

 

분자 사이에서 들뜬 전자 상태가 이동하는 현상을 FRET(Foster Resonance Energy Transfer, 포스터 공명 에너지 전달)이라 한다. 이 현상 역시 ns 영역에서 발생한다. 매우 가까이 있는 두 형광 분자 사이에서 일어나는 에너지 이동 현상을 말한다. FRET은 세포 내에 nm수준의 간격으로 떨어져 있는 형광 분자들 사이의 거리를 측정하는 목적으로 활용되므로 나노자(nano ruler)라 부르기도 한다.

분자 관점에서 볼 때, 2중 결합이나 아로마링 구조가 분자 내에 더 많을수록 공명현상을 줄 수 있는 전자가 훨씬 많아지게 되므로 형광 발생 확률도 더 높아진다.