발광, 광발광, 형광, 및 인광의 차이점을 알아보자.

발광이란 무엇 일까요?

 발광은 열을 가해도 발생하지 않는 물질에서 나오는 빛(전자기파)의 방출입니다. 

이 정의는 빛나는 뜨거운 불씨와 같은 물질의 상승된 온도로 인해 발광하는 백열과 구별되는 발광을 만듭니다. 발광(luminescence)이라는 단어는 빛을 뜻 하는 라틴어 lumen 과 '~의 과정'을 의미 하는 라틴어 escentia에서 파생되었으므로 빛을 발산하는 과정입니다.

 발광 과정을 개시하는 에너지원에 의해 분류될 수 있는 많은 유형의 발광이 있습니다. 다양한 유형의 발광과 그 에너지원에 대한 개요가 그림 2에 나와 있습니다. 이러한 발광 공정의 대부분은 전계발광과 같은 중요한 과학 및 산업 응용 분야를 가지고 있습니다. 이는 발광 다이오드의 작동 원리입니다. 화학 발광은 화학 반응에 의해 시작되고 생물학적 분석에 사용되며 글로우 스틱의 발광을 담당하는 화학발광 등 입니다. 그러나 이번에는 광발광에 대해 알아보고자 합니다.

광 발광( photoluminescence )이란?

 광발광은 빛을 흡수한 후 물질에서 빛을 방출하는 것입니다. 

 라틴어에서 유래한 발광(luminescence)과 빛(light)을 뜻하는 그리스어 접두 사인 포토(photo) 가 결합된 단어 입니다.

 광자의 흡수에 의해 유도되는 모든 발광을 광발광이라고 합니다. 이것은 용액에서 유기 염료 분자의 발광(그림 3a) 또는 반도체의 광여기에 따른 전자와 정공의 밴드간 재결합(그림 3b)일 수 있습니다. 

                               < FLS1000 형광 분광기 이용 측정 자료 >

 모든 광자 흡수 유도 발광을 광발광으로 설명하는 것이 정확합니다. 

그러나 광발광 안에는 형광과 인광으로 분류하는데 특히 화학 자들에 의한 일반적인 분석 입니다.

광발광에서 형광( fluorescence )과 인광 (phosphorescence)의 차이점은?

 형광 및 인광에 대한 다양한 정의가 있지만, 가장 간단한 것은 형광이 물질의 광에의한 에너지 여기 직후에 발생하는 즉각적인 광 방출인 반면, 인광은 광 여기가 중단된 후에도 오랫동안 계속되는 수명이 긴 광 발광 입니다. 

 이것은 간단한 정의이지만 광 발광의 시간 척도에서 그러한 차이가 발생하는 이유를 설명하지 않으며 일부 재료는 고전적인 형광 및 인광 시간 척도 사이의 회색 영역에 속할 수 있습니다. 

 보다 정확한 정의는 방출 과정과 관련된 들뜬 상태와 바닥 상태의 양자 역학에 기초해야 합니다. 이 접근법을 사용하여 형광 및 인광은 복사 전이가 스핀 다중도의 변화를 필요로 하지 않는 광 발광 및 방사 전이가 스핀 다중도의 변화를 수반하는 광 발광으로 도 각각 정의될 수 있습니다.

 형광 및 인광은 분자 시스템의 광 발광을 나타내는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 짝을 이루지 않은 전자를 가진 분자는 극 도로 반응성이 높고 불안정하기 때문에 안정한 분자의 전자는 항상 쌍으로 존재합니다. 전자는 '스핀' 으로 알려진 고유한 각 운동량을 가지며 한 쌍의 전자는 두 전자의 스핀의 상대적인 대칭에 따라 두 개의 전체 스핀 상태 중 하나로 존재할 수 있습니다. 두 개의 스핀이 반 대칭 배열이면 전자쌍의 총 스핀은 0(S = 0)이고 대칭 배열이면 전자쌍의 총 스핀은 1(S = 1)입니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 전자 스핀 쌍의 조합이 하나 있습니다. 

반대칭인 상태와 대칭인 스핀 쌍 상태의 세 조합과 S = 0 및 S = 1 상태는 따라서 각각 싱글렛 및 트리플렛이라고 합니다

 광자가 분자에 흡수되면 전자 중 하나가 더 높은 에너지 준위로 승격되고 분자는 이제 여기 상태가 됩니다. 분자의 바닥 상태는 항상 안정한 상태(S0)이며 각 운동량 보존으로 인해 광여기 상태도 아래 Jablonski 다이어그램에 표시된 것처럼 단일항(S1)이 어야 합니다. S1 상태에서 다시 S0으로의 붕괴는 허용되는 전이(두 상태 모두 동일한 스핀 다중도를 갖기 때문에)로, 피코초에서 나 노초까지의 시간 척도에서 발생하고 형광이라고 하는 즉각적인 광 발광을 초래합니다. 

 대안적으로 분자는 여기 삼중항 상태(T1)로 시스템간 교차(ISC)를 겪을 수 있습니다. ISC는 일반적으로 단일항과 삼중항 상태 사이의 변환을 허용하는 전자의 궤도 각 운동량과 스핀 각 운동량의 결합인 스핀-궤도 결합 정도가 높은 분자에서 발생합니다. 스핀-궤도 결합 강도는 원자의 질량과 함께 증가하므로 인광 분자는 유로퓸 및 이리듐과 같은 중금속을 포함해야 합니다. T1 상태가 S0으로 돌아가 는 것은 각운동량 보존으로 인해 상태가 서로 다른 스핀 다중도를 갖기 때문에 금지된 전이입니다. 그러나 스핀-궤도 결합은 이러한 제한을 완화 하고 T1에서 S1 로의 방사 전이 가 가능해집니다. 그것이 '금지'되었기 때문에 T1에서 S0로의 전이로 인한 광 발광은 훨씬 더 느린 시간 척도인 마이크로초에서 수천 초로 발생하며 인광이라고 합니다. 

                                   < FLS1000 TCC2이용 하여 측정 >

 또한 일부 물질의 배출이 항상 한 범주 또는 다른 범주에서 처럼 깔끔하게 떨어지는 것은 아니라는 점은 항상 유의해야 합니다. 이에 대한 예는 열 활성화 지연 형광(TADF)입니다. 

 TADF에서 S1과 T1 레벨은 에너지가 가깝고 강하게 결합되어 있으므로 T1에서 S1로 의 역 ISC가 가능합니다. 이는 지연된 형광으로 알려진 형광과 인광 사이의 시간 척도에서 광발광을 초래하는 지연된 S1에서 S0 로의 전이를 야기합니다. TADF 및 고효율 OLED에서의 사용에 대한 자세한 내용 은 추후에 다루겠습니다.

 방출을 광 발광 안에서  형광/인광으로 설명하는 시기는 궁극적으로 개인 의 관심 목표에 달려 있습니다. 

 주로 분자 시스템을 연구하는 화학자와 생물학자는 형광 및 인광의 사용을 선호하는데, 이러한 고도로 국소화된 분자 시스템에는 뚜렷한 단일항 및 삼중항 상태가 있기 때문입니다. 

 대조적으로, 물리학자들은 주로 전자가 매우 비편재화되고 일중항 및 삼중항의 개념이 관련성이 없는 반도체 재료를 주로 연구합니다. 이것이 물리학자들이 광 발광을 설명하기 위해 더 넓은 의미의 광 발광(photoluminescence)이라는 용어를 사용하는 이유 중 하나 입니다. 

 당신이 어떤 분야에 관심을 더 가지고 있든지 그것은 광 발광, 형광/인광 을 통하여 분자 및 물질의 특성에 대해 풍부한 정보를 제공 받을 수 있습니다.

태양 전지의 전하 캐리어의 수명 결정에서 부터 살아있는 세포의 셀 주변의 용매화 역학 측정에 이르가까지 다양하게 광발광(photoluminescence)이  사용 됩니다.