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광전 효과

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목차

1. 개요

광전 효과는 빛이 물질에 닿았을 때 전자가 방출되는 현상이다. 빛의 광자가 물질 내 전자에 에너지를 전달하여 전자가 표면 밖으로 튀어나오게 한다. 이 현상은 빛의 진동수가 특정 값 이상일 때 발생하며, 이 최소 진동수를 문턱 진동수라고 한다. 아인슈타인은 광전 효과를 설명하기 위해 광양자 가설을 제시했으며, 그의 이론은 실험적으로 검증되었다. 광전 효과는 광센서, 이미지 센서, 태양광 발전 등 다양한 분야에 응용되며, 내부 광전 효과는 반도체나 절연체에서 빛을 쬘 때 전도도가 증가하는 현상을 말한다.

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광전 효과
광전 효과
설명전자기 방사선이 물질에 부딪힐 때 전자가 방출되는 현상
개요
유형외부 광전 효과
내부 광전 효과
발견하인리히 헤르츠 (1887년)
설명알베르트 아인슈타인 (1905년)
기본 원리
광자빛은 입자(광자)로 구성되며, 광자 하나는 특정 에너지 양을 전달한다.
에너지광자의 에너지가 물질의 일함수보다 크면 전자가 방출된다.
전자 방출광자의 에너지를 흡수한 전자는 물질에서 방출된다.
상세 설명
외부 광전 효과물질 표면에서 전자가 방출되는 현상
내부 광전 효과물질 내부에서 전자가 움직이는 현상
광전 효과 공식E=hν (E는 광자 에너지, h는 플랑크 상수, ν는 광자 진동수)
E=W+K (E는 광자 에너지, W는 일함수, K는 방출된 전자의 운동 에너지)
역사
1887년하인리히 헤르츠가 최초로 발견
1905년알베르트 아인슈타인이 광양자 가설로 설명
1926년길버트 N. 루이스가 "광자"라는 용어 사용
응용
광전관광전 효과를 이용한 진공관 장치
광센서빛의 양을 측정하는 장치
광전지빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치
X선 검출기X선을 감지하는 장치
관련 효과
광기전력 효과물질에 빛을 비추면 전압이 생기는 현상
참고 자료
X선 데이터 책자X선 데이터 책자
물리학자 및 공학자를 위한 물리학R. A. Serway 저, Saunders 출판사, 1990년
아날렌 데어 피지크알베르트 아인슈타인, 빛의 생성 및 변환에 대한 발견적 관점 (1905)
미국 물리학회1926년 12월 18일, 길버트 루이스가 '광자'라는 용어 사용

2. 방출 메커니즘

광전 효과는 빛이 입자처럼 행동하는 것을 보여주는 현상이다. 물질에 빛을 비추면 빛과 전자가 상호작용하여 빛 에너지가 전자에 전달되고, 전자가 물질 표면에서 방출된다. 이를 외부 광전 효과라고 하며, 넓은 의미로는 원자나 분자가 외부로 방출되는 현상, 기체의 원자나 분자가 자유 전자를 방출하는 광이온화(광전리)도 포함한다.

'''외부 광전 효과''': 금속 등에 빛을 비추면 광전자가 튀어나온다


물질 내의 전자는 서로 다른 결합 에너지를 가진 여러 양자 상태를 가지며, 물질 밖으로 나가는 동안 에너지 손실을 겪을 수 있기 때문에 방출된 전자는 다양한 운동 에너지를 가진다. 가장 높은 점유 상태의 전자는 가장 높은 운동 에너지를 가지며, 금속에서는 이러한 전자가 페르미 준위에서 방출된다.

광전자가 진공이 아닌 고체로 방출될 때는 "내부 광전 방출"이라고 하며, 진공으로의 방출은 "외부 광전 방출"로 구분된다.

광전자 방출은 특정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때만 발생하며, 이 진동수를 한계 진동수(\nu_0), 파장을 한계 파장(\lambda_0)이라고 한다. 이 값들은 물질의 종류에 따라 결정되며, 입사광의 세기와는 관련이 없다.

이 현상이 일어나기 쉬운 정도는 일함수(\varphi)로 나타낼 수 있으며, 다음 식으로 표현할 수 있다.

:h\nu_0=\frac{ch}{\lambda_0}=e\varphi (c는 광속, e는 기본 전하량)

2. 1. 광자 흡수

광자 방출 과정에서, 어떤 물질 속의 전자가 일함수 이상의 광자 에너지를 흡수하면 빛이 방출된다. 광자의 에너지가 너무 낮으면, 전자는 물질을 벗어날 수 없다. 방출된 전자의 에너지는 쪼여주는 빛의 세기가 아니라 각각의 광자의 에너지 혹은 진동수에 영향을 받는다. 전자는 광자에 쬐였을 때 광자에게서 에너지를 흡수할 수 있으나, 대부분 "1 혹은 0(흑백논리)"의 원리를 따른다.[4] 한 광자의 모든 에너지는 원자적 결합에서 한 전자를 자유롭게 하는 데 쓰이고, 남은 에너지는 방출된다. 만약 광자 에너지가 흡수되면 에너지의 일부는 원자에게서 전자를 떼어내는 데 쓰이고 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.

광선의 광자는 광자 에너지라 불리는 특징적인 에너지를 가지는데, 이는 빛의 진동수에 비례한다. 광전자 방출 과정에서 어떤 물질 내의 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 전자 결합 에너지보다 더 많은 에너지를 얻으면, 방출될 가능성이 높다. 광자 에너지가 너무 낮으면 전자는 물질에서 벗어날 수 없다. 게다가 방출된 전자의 에너지는 주어진 진동수의 입사광의 세기에는 의존하지 않고, 개별 광자의 에너지에만 의존한다.[4]

조사될 때, 콤프턴 효과와 같이 즉각적인 재방출이 뒤따르는 한 자유 전자는 어떤 에너지든 흡수할 수 있지만, 양자 시스템에서는 양자 역학에 의해 허용되는 경우 모든 에너지가 하나의 광자로부터 흡수되거나 전혀 흡수되지 않는다. 흡수된 에너지의 일부는 전자를 원자 결합으로부터 해방시키는 데 사용되고, 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.[5][6][7]

2. 2. 문턱 진동수와 일함수

금속 표면에서 전자를 떼어내기 위해 필요한 최소한의 에너지를 일함수라고 하며, \varphi, W 혹은 \phi로 표기한다. 일함수는 다음과 같이 나타낼 수 있다.[4]

:\varphi = h\,f_0

:여기에서 f_0는 각 금속마다의 한계 진동수이다.

광선의 광자는 빛의 진동수에 비례하는 광자 에너지를 가진다. 광전자 방출 과정에서 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 전자 결합 에너지보다 더 많은 에너지를 얻으면 방출된다. 광자 에너지가 너무 낮으면 전자는 물질에서 벗어날 수 없다. 낮은 진동수의 빛의 세기를 증가시켜도 저에너지 광자의 수만 증가할 뿐, 전자를 떼어낼 만큼 충분한 에너지를 가진 단일 광자는 생성되지 않는다. 방출된 전자의 에너지는 주어진 진동수의 입사광의 세기에 의존하지 않고, 개별 광자의 에너지에만 의존한다.[4]

조사될 때 자유 전자는 콤프턴 효과와 같이 즉각적인 재방출이 뒤따르는 한 어떤 에너지든 흡수할 수 있지만, 양자 역학에 의해 허용되는 경우 모든 에너지가 하나의 광자로부터 흡수되거나 전혀 흡수되지 않는다. 흡수된 에너지의 일부는 전자를 원자 결합으로부터 해방시키는 데 사용되고, 나머지는 자유 입자로서 전자의 운동 에너지에 기여한다.[5][6][7]

광전자의 방출은 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때만 발생한다. 이때의 진동수를 한계 진동수(\nu_0), 파장을 한계 파장(\lambda_0)이라고 하며, 이 값들은 물질의 종류에 따라 결정된다. 입사광의 세기에는 의존하지 않는다.

이 현상이 일어나기 쉬운 정도는 일함수(\varphi)로 나타낼 수 있으며, \nu_0 와 \lambda_0를 사용하여 쓰면, c를 광속, e를 기본 전하량으로 하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:h\nu_0=\frac{ch}{\lambda_0}=e\varphi

만약 h\nu < P_2이라면 전자는 금속 표면으로부터 튀어나오지 않고 광전 효과는 일어나지 않는다. 어떤 최소의 진동수 \nu_0가 있으며, \nu_0에서는 광전 효과를 일으킬 수 있지만, 그 이하의 진동수에서는 광전 효과를 관측할 수 없다.

3. 수학적 기술

광전 효과는 수식으로 정확하게 표현될 수 있다. 광자가 흡수될 때 에너지는 일반적으로 아인슈타인 방정식으로 표현된다.

:

여기서 는 전자를 원자로부터 떼어내는 에너지(이온화 에너지), 는 물체 표면으로부터 전자를 방출시키는 일, 는 방출된 광전자의 운동 에너지이다. 금속의 경우, 자유 전자는 이미 원자로부터 떨어져 금속 내부를 자유롭게 운동하고 있으므로 으로 생각할 수 있다. 대신 금속 표면에서 전자가 튀어나오려면 금속 내부에 갇혀 있는 장을 극복해야 하는데, 이 때 필요한 일이 일함수 이다. 따라서 금속의 경우 아인슈타인 방정식은 다음과 같다.

:

만약 이라면 전자는 금속 표면으로부터 튀어나오지 않고 광전 효과는 일어나지 않는다.

고체에서 방출되는 전자의 운동 에너지는 일반적으로 다음과 같이 표현된다.[21]

:E_k = h\nu -W - E_B

여기서 W는 표면의 일함수이고, E_B는 고체 내 전자의 결합 에너지이다.

3. 1. 아인슈타인의 광전 효과 방정식

플랑크의 양자화 개념과 에너지 보존 법칙을 이용하면 광전효과에서의 광전자 방출에 대한 아인슈타인의 식을 유도할 수 있다. 전자가 튀어나오는 순간 물질 고유의 특정 파장을 한계 파장이라 하며, 그때의 진동수를 한계 진동수(문턱 진동수)라고 한다. 그리고 그 한계 진동수에 플랑크 상수를 곱한 것을 일함수라 한다.[16]

입사한 광자의 에너지가 h\nu일 때, 금속에서 전자를 떼어내고 남은 에너지는 전자의 운동에너지가 된다. 즉, 에너지 보존 법칙에 따라 다음 등식이 성립한다.

: h{\nu} = 일함수 + 운동에너지

: h{\nu} = {\phi}+m{v^2}=hmv^2

: m{v^2} = h{\nu}-h{{\nu}_0}= -eV_s

(V_s는 정지 전위, m 은 전자의 질량, v 는 방출된 전자의 속도, h는 플랑크 상수)

방출된 전자의 최대 운동 에너지 (K_{\mathrm{max}})는 다음과 같이 표현된다.[17]

:K_\max = h\,\nu - W.

여기서 W는 물질 표면에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지로, 표면의 일함수를 의미한다. 일함수가 W = h\,\nu_o, 로 표현될 때, 방출된 전자의 최대 운동 에너지 공식은 다음과 같다.

:K_\max = h \left(\nu - \nu_o\right).

운동 에너지는 양수여야 하므로, 광전 효과가 발생하기 위해서는 \nu > \nu_o가 필요하다. 진동수 \nu_o는 주어진 물질에 대한 한계 진동수이다.

3. 2. 정지 전압

'''밀리컨의 실험 장치 개략도''''


밀리컨은 진공 상태의 음극에 빛을 쬐어 광전 효과를 일으키고, 그때 음극과 양극 사이에 흐르는 전류를 측정했다. 그리고 음극과 양극 사이의 전압과 광전자의 운동 에너지 관계로부터 플랑크 상수를 구하여 광전 효과를 실증했다. 광전자의 운동 에너지를 라고 하고, 전기장이 전자에 하는 일을 라고 하자. 만약, 이라면, 광전자는 양극에 도달할 수 없어 전류는 흐르지 않는다. 따라서, 전류가 흐르지 않게 되는 전압을 라고 하면, 아인슈타인의 방정식 에 의해

:\begin{align}&eV_0=h\nu-P_2\\

&V_0=\frac{h}{e}\nu-\frac{W}{e}\end{align}

이 된다. 이 를 조사광의 진동수 ν에 대한 그래프로 그려, 그 그래프의 기울기 로부터 밀리컨은 플랑크 상수를 구할 수 있었다. 밀리컨이 광전 효과로부터 구한 플랑크 상수는

:}}

이 되며, 흑체 복사 실험으로부터 구한 플랑크 상수

:}}

와 거의 일치한다.

4. 실험적 관측

광전 효과 실험 개략도. 특정 파장의 단색광이 진공관 내부의 방출 전극(E)에 비추고, 집전 전극(C)은 전압 Vc로 조절된다.


광전 효과는 모든 물질에서 발생할 수 있지만, 금속 및 기타 도체에서 가장 쉽게 관찰된다. 이는 광전 효과 과정이 전하 불균형을 생성하고, 이 불균형이 전류 흐름에 의해 중화되지 않으면 방출이 완전히 멈출 때까지 전위 장벽이 증가하기 때문이다. 광전자 방출에 대한 에너지 장벽은 금속 표면의 비도전성 산화물 층에 의해 증가하므로, 관련 실험 및 장치는 진공관 내의 깨끗한 금속 표면을 사용한다. 진공은 기체가 전극 사이의 전자 흐름을 방해하는 것을 막아준다.

햇빛은 대기 흡수 때문에 자외선을 많이 포함하지 않아, 과거에는 마그네슘 연소 또는 아크등을 통해 자외선이 풍부한 빛을 얻었다. 현재는 수은등, 비활성 기체 방전 자외선 램프 및 고주파 플라즈마 광원,[8][9][10] 자외선 레이저,[11] 싱크로트론 삽입 장치[12] 광원이 주로 사용된다.

광전 효과 관찰을 위한 고전적인 설정에는 광원, 빛을 단색화하는 필터, 자외선 투과성 진공관, 빛에 노출된 방출 전극(E), 전압 ''V''C를 제어할 수 있는 집전체(C)가 포함된다.

양의 외부 전압은 광전자를 집전체로 향하게 한다. 입사 방사선의 주파수와 강도가 고정되면, 광전류 ''I''는 양전압 증가에 따라 증가하다가 포화 값에 도달한다.

음전압은 최고 에너지 전자를 제외한 모든 전자가 집전체에 도달하는 것을 방지한다. 전류가 관찰되지 않으면, 음전압은 최대 운동 에너지 ''K''max를 가진 광전자를 감속, 정지시키기에 충분히 높은 값에 도달한 것이다. 이 지연 전압을 ''정지 전위'' ''V''o라 하며,[13] ''eV''o = ''K''max가 성립한다.

전류-전압 곡선은 S자형이지만, 모양은 실험 기하학적 구조와 전극 재료 특성에 따라 달라진다.

물질에 빛을 비추면 빛과 전자의 상호작용으로 빛 에너지가 전자에 주어져 광전자가 방출된다. 이를 외부 광전 효과, 또는 광전 효과라고 한다. 넓은 의미로는 원자나 분자가 외부로 방출되는 현상, 기체 원자나 분자가 자유 전자를 방출하는 광이온화도 포함한다.

광전자 방출은 일정 진동수(한계 진동수) 이상의 빛을 비추었을 때만 발생한다. 한계 파장은 물질 종류에 따라 결정되며, 입사광 세기에는 의존하지 않는다.

이 현상의 정도는 일함수 로 나타낼 수 있으며, , 를 사용하면, (광속), (기본 전하량)으로

:hν_0=\frac{ch}{\lambda_0}=eφ

로 표현된다.

밀리컨은 진공 상태 음극에 빛을 쬐어 광전 효과를 일으키고, 음극-양극 간 전류를 측정, 전압과 광전자 운동 에너지 관계로부터 플랑크 상수를 구해 광전 효과를 실증했다. 광전자 운동 에너지를 , 전기장이 전자에 하는 일을 라 할 때, 이면 광전자는 양극에 도달 못해 전류가 흐르지 않는다. 전류가 멈추는 전압을 라 하면, 아인슈타인 방정식에 의해

이 된다. 를 조사광 진동수 ν 그래프로 그려, 기울기 로부터 플랑크 상수를 구했다. 밀리컨이 구한 플랑크 상수는

이며, 흑체 복사 실험값

과 거의 일치한다.

광전자 각 분포는 편광(전기장 방향), 원자 및 분자 궤도 대칭, 결정성 고체의 전자띠 구조 등 방출 재료의 양자 특성에 의존한다. 거시적 질서가 없는 재료에서 전자는 선형 편광광 편광 방향에서 최고조에 달한다.[15] 각 분해 광전자 분광법으로 이러한 분포를 측정, 재료 특성을 추론할 수 있다.

4. 1. 빛의 세기와 광전류

주어진 금속과 빛의 진동수에서, 광전자가 방출될 비율은 빛의 세기와 직접적으로 비례한다. 빛의 세기를 늘리면 정지 전압은 그대로 유지되나 광전류의 세기는 늘어난다. 빛의 입사와 광전자의 방출 사이의 시간 차는 1ns 이하로 매우 작다.[13]

같은 단색광의 강도를 증가시키면(강도가 너무 높지 않은 한[14]), 주어진 시간에 표면에 입사하는 광자 수에 비례하여 전자가 방출되는 속도(광전류 ''I'')가 증가하지만, 광전자의 운동 에너지와 정지 전압은 동일하게 유지된다. 주어진 금속과 입사 방사선의 주파수에 대해 광전자가 방출되는 속도는 입사광의 강도에 정비례한다.

4. 2. 빛의 진동수와 운동 에너지

어떤 금속에서 광전자를 방출할 수 있는 특정 최소 진동수가 있는데, 이 진동수를 '''문턱 진동수'''(한계 진동수, threshold frequency)라고 한다. 입사되는 광자의 수를 고정시키고 입사광선의 진동수를 늘린다면(이때 빛의 에너지는 증가할 수 있다) 방출된 광전자의 최대 운동 에너지를 크게 할 수 있다. 따라서 정지 전압(stopping voltage)이 커진다. 만약 빛의 세기가 커진다 하더라도 광전자의 운동 에너지에는 영향이 없다. 문턱 진동수 이상에서는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수에 따라 다르고, 빛의 세기가 아주 높지 않은 이상 이와는 독립적이다.[14]

주어진 금속 표면에 대해서는, 광전자가 방출되지 않는 특정 최소 입사 방사선 주파수가 존재하며, 이 주파수를 ''임계 주파수''라고 한다. 입사 빔의 주파수를 높이면 방출된 광전자의 최대 운동 에너지가 증가하고 정지 전압도 증가해야 한다. 방출된 전자의 수도 변경될 수 있는데, 각 광자가 방출된 전자를 생성할 확률은 광자 에너지의 함수이기 때문이다. 주어진 금속과 빛의 진동수에서, 어떤 광전자가 방출될 비율은 빛의 세기와 직접적으로 비례한다. 빛의 세기를 늘리면 정지 전압은 그대로 유지되나 광전류의 세기를 늘린다. 빛의 입사와 광전자의 방출 사이의 시간 차는 1ns 이하로 매우 작다.

4. 3. 시간 지연

빛의 입사와 광전자의 방출 사이의 시간 지연은 1ns 이하로 매우 작다.[15]

5. 역사



물질에 빛을 비추면 빛과 전자의 상호작용에 의해 빛이 가진 에너지가 전자에 주어지고, 전자(광전자(光電子))가 물질 표면에서 방출된다. 이 현상을 '''외부 광전 효과''' 또는 간단히 광전 효과라고 한다. 넓은 의미로는 전자뿐만 아니라 원자나 분자가 외부로 방출되는 현상도 포함한다. 또한 기체의 원자나 분자가 자유 전자를 방출하는 광이온화(photoionization, 광전리)도 넓은 의미의 외부 광전 효과이다.

광전자의 방출은 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때만 발생한다. 이때의 진동수를 한계 진동수, 파장을 한계 파장이라고 하며, 이 값들은 물질의 종류에 따라 결정된다. 입사광의 세기에는 의존하지 않는다.

이 현상이 일어나기 쉬운 정도는 일함수로 나타낼 수 있으며, 한계 진동수($\nu_0$)와 한계 파장($\lambda_0$)을 사용하여 쓰면, 광속(c)과 기본 전하량(e)으로 하여

:hν_0=\frac{ch}{\lambda_0}=eφ

로 나타낼 수 있다.

광전 효과는 모든 물질에서 발생할 수 있지만, 금속 및 기타 도체에서 가장 쉽게 관찰된다. 이는 광전 효과 과정이 전하 불균형을 생성하고, 이 불균형이 전류 흐름에 의해 중화되지 않으면 방출이 완전히 멈출 때까지 전위 장벽이 증가하기 때문이다. 광전자 방출에 대한 에너지 장벽은 일반적으로 금속 표면의 비도전성 산화물 층에 의해 증가하므로, 광전 효과를 기반으로 하는 대부분의 실험 및 장치는 진공관 내의 깨끗한 금속 표면을 사용한다.

광전 효과를 관찰하기 위한 고전적인 설정에는 광원, 빛을 단색화하는 필터 세트, 자외선 투과성 진공관, 빛에 노출된 방출 전극(E) 및 전압 ''V''C를 외부에서 제어할 수 있는 집전체(C)가 포함된다.

햇빛은 대기의 흡수 때문에 자외선을 많이 제공하지 않으므로, 과거에는 마그네슘 연소 또는 아크등을 통해 자외선이 풍부한 빛을 얻었다. 현재는 수은등, 비활성 기체 방전 자외선 램프 및 고주파 플라즈마 광원,[8][9][10] 자외선 레이저,[11] 그리고 싱크로트론 삽입 장치[12] 광원이 주로 사용된다.

광전효과의 발견과 연구는 여러 과학자들에 의해 단계적으로 이루어졌다. 주요 내용은 다음과 같다.

연도과학자내용
1839년알렉상드르 에드몽 베크렐광기전력 효과 연구에서 광전 효과에 의한 빛과 전류의 관계를 발견.[71][72]
1887년하인리히 헤르츠음극에 자외선을 조사하여 전극 간 방전 현상으로 광전 효과 발견.[74]
1888년빌헬름 할바흐스금속에 단파장(진동수가 큰) 빛을 조사하면 전자가 튀어나오는 현상 발견.
1905년알베르트 아인슈타인광양자 가설을 통해 광전 효과 설명.[75]
1916년로버트 밀리컨실험을 통해 광양자 가설 증명.


5. 1. 19세기: 초기 발견과 관측

1839년, 알렉상드르 베크렐은 빛에 노출된 전도 용액에서 광전 효과를 관찰했다.[23] 1873년에는 윌러비 스미스(Willoughby Smith영어)가 셀레늄의 광전도성을 발견했다.[24]

1887년, 하인리히 헤르츠는 광전 효과를 관찰하고[27] 전자기파의 생성 및 수신에 대해 보고했다.[28][29] 헤르츠는 전자기파 원천과 수신기 사이에 유리판을 놓으면 전자가 간극을 건너뛰는 데 도움이 되는 자외선이 흡수되어 불꽃 길이가 줄어드는 것을 발견했다. 유리를 석영으로 바꾸면 자외선이 흡수되지 않아 불꽃 길이가 줄어들지 않았다.

헤르츠의 발견 이후, 빌헬름 할바흐스[30][31], 호어(Hoor)[32], 아우구스토 리기[33], 알렉산더 스톨레토프[34][35] 등이 자외선이 대전된 물체에 미치는 영향에 대해 연구했다. 할바흐스는 자외선에 노출된 아연판에서 음전하 입자가 방출된다는 결론을 내렸다.

1888년부터 1891년까지 알렉산더 스톨레토프는 광전 효과를 분석하여 6편의 논문을 발표했다.[35] 스톨레토프는 빛의 세기와 광전류 사이에 직접적인 비례 관계가 있음을 발견했다(광전 효과의 제1 법칙 또는 스톨레토프 법칙).

5. 2. 20세기: 이론 정립과 발전

1900년, 독일 물리학자 막스 플랑크는 흑체 복사를 연구하면서 전자기파 에너지가 '묶음' 형태로만 방출될 수 있다고 제안했다.[46] 1905년, 알베르트 아인슈타인은 빛 에너지가 불연속적인 양자화된 묶음으로 전달된다는 가설을 제시하는 논문(Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt|빛의 생성과 변환에 관한 휴리스틱적 관점de[51])을 발표했다. 아인슈타인은 각 광양자의 에너지가 빛의 진동수에 플랑크 상수를 곱한 값과 같다고 이론화했다. 임계 진동수 이상의 광자는 단일 전자를 방출하는 데 필요한 에너지를 가지며, energy quanta|에너지 양자영어라는 표현을 사용하여 흑체 복사 스펙트럼을 설명하고, 실험 결과와 일치함을 보였다. 이는 광전자의 에너지가 입사광의 세기가 아닌 진동수에 의존하는 이유를 설명해주었다. 이 개념은 빛의 파동 이론 및 에너지의 무한 분할 가능성 가정과 모순되어 처음에는 강하게 반발되었다.[6]

1902년 필립 레나르트는 방출된 전자의 에너지가 빛의 세기와 무관하다는 것을 발견했다.[5][41] 이는 빛의 세기에 비례할 것이라고 예측한 빛의 파동 이론과 달랐다. 레나르트는 빛의 진동수에 따른 전자 에너지 변화를 관찰했지만, 실험의 어려움으로 정량적인 결과를 얻지는 못했다.

1914년, 로버트 앤드루스 밀리컨은 진공 상태의 음극에 빛을 쬐어 광전 효과를 일으키고, 그때 음극과 양극 사이에 흐르는 전류를 측정하는 방식으로 아인슈타인의 이론을 검증하고 플랑크 상수를 정확하게 측정했다.[47] 아인슈타인은 "광전 효과의 법칙 발견"으로 1921년 노벨 물리학상을 수상했고,[48] 밀리컨은 "전기의 기본 전하와 광전 효과에 대한 연구"로 1923년 노벨상을 수상했다.[49]

6. 광전 효과와 고전 물리학의 한계

고전 물리학은 광전 효과를 설명하는 데 명백한 한계를 보였다. 주요 문제점은 다음과 같다.

문제점고전 물리학의 예측실제 실험 결과
빛의 입사와 광전자 방출 사이의 시간 간격빛의 세기가 약하면 전자가 에너지를 흡수하여 탈출하는 데 시간이 걸릴 것으로 예측했다.빛의 세기가 매우 약해도 전자는 거의 즉시(10-9초 미만) 방출되었다.
빛과 관련된 당시의 지배적인 관점 (파동설)빛을 파동으로 보았기 때문에, 빛이 전자를 튕겨내는 현상을 설명할 수 없었다.아인슈타인은 빛이 광자라는 입자로 구성되어 있다는 개념을 통해 광전 효과를 설명했다.



아연에 대한 빛의 진동수 함수로서의 최대 운동 에너지 다이어그램


6. 1. 빛의 세기와 운동 에너지의 관계

고전 물리학은 빛의 세기가 증가하면 금속판에 더 많은 에너지가 전달되어, 광전자의 운동 에너지가 더 커져야 한다고 예측했다. 또한 빛의 진동수와 운동 에너지 사이에는 아무런 관계가 없다고 보았다. 하지만 실제 실험에서는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 세기와는 상관없이 정지 전압에 비례했다. 방출되는 광전자의 최대 운동 에너지는 빛의 진동수가 증가함에 따라 증가했다.[16]

6. 2. 빛의 진동수와 전자의 방출

고전 물리학에서는 빛의 진동수와는 무관하게 금속판에 에너지가 전달되므로 빛의 세기만 충분히 세다면 진동수와 상관없이 금속판에서는 전자가 방출되어야 한다고 예측했다. 하지만 실제 실험에서는 입사하는 빛의 진동수가 차단 진동수 이하일 경우 광전자가 방출되지 않았으며, 빛의 진동수가 차단 진동수 이상이라면 빛의 세기와 무관하게 광전자가 방출되었다.[16] 광전자의 방출은 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때만 발생하며, 이때의 진동수를 한계 진동수, 파장을 한계 파장이라고 한다. 이 값들은 물질의 종류에 따라 결정되며, 입사광의 세기에는 의존하지 않는다.[17]

6. 3. 빛의 입사와 전자 방출 사이의 시간 간격

고전 물리학에서는 빛의 세기가 약할 경우, 빛이 금속판에 조사된 후 전자가 입사한 복사 에너지를 흡수하여 금속판에서 탈출하기에 충분한 에너지를 얻는 데까지 걸리는 시간이 측정되어야 한다고 예측하였다. 하지만 실제 실험 결과, 금속판에서 방출된 전자들은 매우 낮은 세기의 빛에 대해서도 거의 순간적(10-9초 미만)으로 방출되었다.

7. 응용과 효과

광전 효과는 다양한 분야에서 활용되고 있다.


  • 광센서: 광전관, 광전자증배관, 촬상관 등은 외부 광전 효과를 이용한 광센서이다. 이들은 일함수가 작은 알칼리 금속을 광전면에 사용하여 빛이나 X선을 고감도로 검출하고 정밀하게 측정하는 데 사용된다. 특히 광전자증배관은 암전류가 적고 선형성이 우수하여 원자흡광분석법 등 다양한 연구 및 산업 현장에서 널리 활용된다.
  • 광전자 분광법: 광전자 분광법은 방출된 광전자의 에너지와 운동량을 분석하여 물질 내부의 밴드 구조와 표면 상태를 조사하는 데 사용된다.


이 외에도 광전 효과는 이미지 강화관, 태양광 발전, 우주선의 전하 발생, 달 먼지 현상 등 다양한 분야에 응용된다.

7. 1. 광센서

광전자 증배관


광전관 및 광전자 증배관은 빛을 감지하는 데 사용된다. 광전자 증배관은 내부에 코팅된 광전극을 가진, 극도로 빛에 민감한 진공관이다. 광전극은 매우 낮은 수준의 빛에도 전자를 쉽게 방출할 수 있도록 세슘, 루비듐, 안티몬 등 일함수가 낮은 물질로 구성된다. 방출된 전자는 이차 전자 방출을 통해 증폭되어 감지 가능한 출력 전류를 생성한다. 광전자 증배관은 매우 약한 빛을 감지해야 하는 과학 연구에 널리 사용된다.[56]

7. 2. 이미지 센서

초기 텔레비전 카메라 튜브는 광전 효과를 이용했는데, 예를 들어 필로 판스워스의 "영상 해부기"는 광전 효과로 충전된 스크린을 사용하여 광학 이미지를 스캔된 전자 신호로 변환했다.[57]

외부 광전 효과를 이용한 광센서에는 광전관, 광전자증배관, 촬상관 등이 있다. 이들은 일함수가 작은 알칼리 금속을 광전면에 사용하며, 내부 광전 효과를 이용한 소자에 비해 암전류가 적고 선형성이 우수하다는 특징이 있다. 이러한 광센서는 빛이나 X선의 고감도 검출 및 정밀 측정에 사용되며, 특히 광전자증배관은 범용 초고감도 광센서로 널리 사용되어 원자흡광분석법 등 다양한 연구 개발, 산업 생산 및 측정 현장에서 활용된다.

7. 3. 태양광 발전

솔라 셀과 포토다이오드는 다양한 광전 효과를 이용하여 태양 에너지 발전에 사용된다. 이것들은 전자를 방출하는 방식은 아니지만, 반도체에서 가시광선과 같이 상대적으로 낮은 에너지의 빛을 최외각 밴드의 전자가 더 높은 에너지의 전도띠로 이동시켜 전류를 발생시킨다. 이때 전압은 밴드갭 에너지와 관련이 있다.[8][9][10]

대한민국에서는 이러한 광전 효과를 이용한 태양광 발전이 신재생 에너지의 중요한 부분을 차지하며, 관련 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.

7. 4. 광전자 분광법

각분해 광전자 분광법(ARPES) 실험 모식도. 헬륨 방전 램프가 초고진공 상태의 시료에 자외선을 비추고, 반구형 전자 분석기는 방출된 전자의 에너지와 운동량에 따른 분포를 측정한다.


광전자 분광법은 방출된 전자의 운동 에너지가 입사 광자의 에너지에서 원자, 분자 또는 고체 내 전자의 결합 에너지를 뺀 값과 같다는 점을 이용한다. 알려진 에너지의 단색 X선 또는 UV 빛을 시료에 비추고 광전자의 운동 에너지를 측정하여 결합 에너지를 결정할 수 있다.[19] 이 전자 에너지 분포는 해당 시스템의 양자 특성을 연구하고 시료의 원소 구성을 파악하는 데 활용된다. 고체의 경우, 광전자의 운동 에너지와 방출 각도 분포를 통해 전자 띠 구조를 결정할 수 있는데, 각분해 광전자 분광법의 최신 기기는 이를 1 meV 미만 및 0.1° 미만의 정밀도로 측정 가능하다.

광전자 분광법 측정은 일반적으로 고진공 환경에서 수행되는데, 이는 전자가 기체 분자에 의해 산란될 수 있기 때문이다. 다만, 일부 회사에서는 공기 중에서 광전 방출을 허용하는 제품을 판매하기도 한다. 광원으로는 레이저, 방전관, 싱크로트론 방사선원 등이 사용될 수 있다.[58]

동심 반구형 분석기는 대표적인 전자 에너지 분석기이다. 이 분석기는 두 개의 반구 사이에 형성된 전기장을 이용하여 입사 전자의 궤적을 운동 에너지에 따라 분산시킨다.

7. 5. 기타 응용

광전 효과는 이미지 강화관(image intensifier)에서 활용된다. 이미지 강화관 속의 알칼리 금속 또는 갈륨 비소와 같은 반도체 물질로 만들어진 얇은 막에 빛(광자)이 부딪히면, 광전 효과에 의해 광전자가 방출된다. 방출된 광전자는 정전기장에 의해 가속되어 형광체로 코팅된 스크린에 부딪히고, 이 과정에서 다시 빛(광자)으로 변환된다. 이러한 신호 강화는 전자를 가속하거나, 마이크로 채널 플레이트와 같은 장치를 통해 전자의 수를 늘리는 방식으로 이루어진다. 때로는 이 두 가지 방법이 함께 사용되기도 한다.

광전극에서 전자가 진공 준위로 이동하려면 추가적인 운동 에너지가 필요한데, 이를 광전극의 전자 친화도라고 한다. 이는 밴드갭 모델에서 금지대 외에 광전자 방출을 막는 또 다른 장벽이다. 갈륨 비소와 같은 일부 물질은 전도대 수준보다 낮은 유효 전자 친화도를 가지는데, 이러한 물질에서는 전도대로 이동하는 모든 전자가 물질에서 방출될 만큼 충분한 에너지를 갖게 되어 빛을 흡수하는 필름을 두껍게 만들 수 있다. 이러한 물질을 음의 전자 친화도 물질이라고 한다.

태양광에 노출된 우주선은 광전 효과로 인해 양전하를 띠게 된다. 이는 우주선의 다른 부분이 그림자에 가려져 근처 플라스마로부터 음전하를 띠게 되면서 불균형을 초래하고, 섬세한 전기 부품을 통해 방전될 수 있는 심각한 문제를 야기한다.[59][60] 그러나 광전 효과로 생성된 정전기는 자체적으로 제한되는데, 이는 더 높은 전하를 띤 물체가 낮은 전하를 띤 물체보다 전자를 쉽게 방출하지 않기 때문이다.

태양에서 나온 빛이 달의 먼지에 닿으면 광전 효과에 의해 먼지가 양전하를 띠게 된다. 전하를 띤 먼지는 서로 밀어내어 정전 부상에 의해 달 표면에서 떠오르게 된다.[61][62] 이는 얇은 안개처럼 먼지의 "대기"를 형성하고, 먼 곳의 지형을 흐릿하게 만들거나 해가 진 후에도 희미하게 빛나는 모습으로 나타난다. 이 현상은 1960년대 서베이어 계획 탐사선에 의해 처음으로 사진에 담겼으며,[63] 최근에는 창어 3호 로버가 달 표면의 바위에 약 28cm 높이까지 먼지가 쌓인 것을 관측했다.[64]

광전 효과는 광전관, 광전자증배관, 촬상관과 같은 광센서에 응용된다. 광전면에는 일함수가 작은 알칼리 금속이 사용되며, 암전류가 적고 선형성이 우수하여 빛이나 X선의 고감도 검출 및 정밀 측정에 사용된다. 특히 광전자증배관은 범용 초고감도 광센서로 널리 사용되며, 원자흡광분석법 등 다양한 연구 개발 및 산업 현장에서 활용된다. 또한, 방출된 광전자의 에너지와 운동량을 조사하여 물질 내부의 밴드 구조와 표면 상태 등을 파악하는 광전자 분광법과 같은 분석 방법에도 응용된다.

8. 내부 광전 효과

'''내부 광전 효과''': 반도체나 절연체에 빛을 비추면 전자가 여기된다


반도체나 절연체에 충분히 짧은 파장의 빛을 비추면 물질 내부의 전도 전자가 증가하여 전기 전도도가 증가하는 현상을 '''내부 광전 효과'''라고 한다. 광전도(photoconduction), 광도전이라고도 한다.

일반적으로 내부 광전 효과는 저전압 구동, 소형화, 내구성, 긴 수명 등의 장점을 가진다.

8. 1. 광전도성

반도체나 절연체에 충분히 짧은 파장의 빛을 비추면 물질 내부의 전도 전자가 증가하고, 그에 따라 전기 전도도가 증가하는 현상을 '''내부 광전 효과'''라고 한다. '''광전도'''(photoconduction) 또는 '''광도전'''이라고도 한다. 반도체나 절연체에서 가전자대나 불순물 준위 등에 있는 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 전도대 등으로 여기될때, 이렇게 여기된 전자를 광전자라고 한다. 이로 인해 전도 전자와 정공이 증가하므로 도전성이 증가하는데, 이러한 성질을 '''광전도성'''(photoconductivity) 또는 '''광도전성'''이라고 한다. 이때 전기 전도도의 증가는, 캐리어의 전하를 e, 캐리어의 수명을 τ, 이동도를 μ, 단위 부피·시간당 광자 수를 f, 1광자당 발생하는 캐리어 수(양자 효율)를 η로 하여 다음과 같이 표현된다.

:\Delta\sigma=e\tau\mu\eta f

이 효과는 반도체뿐만 아니라 산화물이나 황화물, 유기물 등 매우 다양한 물질에서 관찰된다.

8. 2. 응용

솔라 셀과 포토다이오드는 다양한 광전 효과를 이용하며, 태양 에너지 발전에 사용된다. 그러나 전자를 방출하는 것을 이용하는 것은 아니다. 반도체에서는 가시광선과 같이 상대적으로 낮은 에너지의 빛이 전자를 더 높은 에너지의 전도띠로 이동시켜 전류를 발생시킨다.[8][9][10][11][12]

반도체나 절연체에 충분히 짧은 파장의 빛을 비추면 물질 내부의 전도 전자가 증가하고, 전기 전도도가 증가하는 현상을 '''내부 광전 효과'''라고 한다. 이를 '''광전도'''(photoconduction) 또는 '''광도전'''이라고도 한다. 반도체나 절연체에서 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 전도대 등으로 여기되는데, 이렇게 여기된 전자를 광전자라고 한다. 이로 인해 전도 전자와 정공이 증가하여 도전성이 증가한다. 이러한 성질을 '''광전도성'''(photoconductivity) 또는 '''광도전성'''이라고 한다.

일반적으로 내부 광전 효과는 저전압 구동, 소형화, 내구성, 긴 수명 등의 장점을 가진다.

  • 내부 광전 효과형 광센서
  • 포토다이오드와 반도체 이미지 센서(카메라의 CCD, CMOS 이미지 센서) 등, 접합을 이용한 반도체 광센서
  • 황화카드뮴 등을 이용한 광전도 셀
  • 셀렌을 이용한 촬영용 필름의 감광재, 복사기의 감광 드럼
  • 태양 전지

9. 경쟁 과정



광자 에너지가 전자 정지 에너지()만큼 높아지면 콤프턴 산란이 발생할 수 있다. 이 에너지의 두 배() 이상에서는 쌍생성이 일어날 수 있다.[67] 콤프턴 산란과 쌍생성은 경쟁적인 메커니즘의 예시이다. 광전 효과는 단일 광자와 속박 전자의 상호 작용에서 선호되는 반응이지만, 그 결과는 양자 통계의 영향을 받는다.

9. 1. 광전 효과 단면적

광전 효과가 발생할 확률은 상호 작용의 단면적 σ로 측정된다. 이것은 표적 원자의 원자 번호와 광자 에너지의 함수임이 밝혀졌다. 대략적으로, 광자 에너지가 가장 높은 원자 결합 에너지보다 높은 경우, 단면적은 다음과 같이 주어진다.[68]

: \sigma = \mathrm{constant} \cdot \frac{Z^n}{E^3}

여기서 ''Z''는 원자 번호이고 ''n''은 4와 5 사이의 값을 갖는 숫자이다. 광전 효과는 스펙트럼의 감마선 영역에서 광자 에너지가 증가함에 따라 그 중요성이 빠르게 감소한다. 또한 원자 번호가 높은 원소에서 더 발생하기 쉽다. 따라서 높은 ''Z'' 값을 갖는 물질은 좋은 감마선 차폐체가 되는데, 이것이 납(''Z'' = 82)이 선호되고 가장 널리 사용되는 주된 이유이다.[69]

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