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형광

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목차

1. 개요

형광은 물질이 빛을 흡수하여 여기 상태가 된 후, 흡수한 빛보다 낮은 에너지를 가진 빛을 방출하는 현상이다. 전자의 에너지 준위 변화와 관련 있으며, 자외선, 가시광선, X선 등 다양한 전자기파를 흡수하여 나타날 수 있다. 형광 염료, 형광등, 형광증백제 등 다양한 형태로 활용되며, 조명, 분석 화학, 분광학, 레이저, 생화학, 의학 등 여러 분야에서 응용된다. 카샤의 규칙, 거울상 규칙, 스토크스 이동 등과 같은 규칙과 메커니즘을 가지며, 생물발광, 생물인광과 구분된다. 자연계에서는 해양 생물, 육상 생물, 광물 등에서 형광 현상이 관찰되며, 특히 생물학적 기능과 관련하여 활발히 연구되고 있다. 최근에는 새로운 형광 물질 개발과 기술 혁신을 통해 에너지 효율 향상, 의료 기술 발전 등 다양한 분야에서 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

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형광
지도 정보
기본 정보
정의물질이 빛을 흡수한 후 즉시 또는 짧은 시간 후에 빛을 방출하는 현상
로마자 표기hyeonggwang
영어 표기fluorescence
일본어 표기蛍光 (けいこう, keikou)
상세 설명
원리빛 에너지를 흡수한 원자나 분자가 더 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 특정 파장의 빛을 방출하는 현상.
흡수한 빛보다 더 긴 파장의 빛을 방출한다.
발생 과정빛 흡수 → 전자 여기 → 진동 이완 → 형광 방출
여기된 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아올 때 빛을 방출
특징
형광 방출 시간짧은 시간 (일반적으로 수 나노초)
빛의 파장흡수된 빛보다 긴 파장의 빛 방출
구분발광: 스스로 빛을 내는 현상
형광: 외부 에너지 흡수 후 빛을 내는 현상
관련 현상인광: 형광과 유사하나 빛 방출 시간이 더 김
화학발광: 화학 반응으로 빛을 내는 현상
활용 분야
과학 분야생화학: 생체 물질 연구
분광학: 물질 분석
형광 현미경: 세포 구조 관찰
산업 분야형광등: 조명
형광 물질: 보안 및 위조 방지
형광 물질 종류
유기 형광체형광 염료 (예: 플루오레세인, 로다민)
형광 단백질 (예: 녹색 형광 단백질 (GFP))
무기 형광체형광체 분말 (예: 황화아연, 칼슘 할로겐화물)
양자점

2. 정의 및 원리

형광은 물질이 빛을 흡수하여 그 빛과는 파장이 다른 새로운 빛을 내는 현상이다. 이때 고온에서 빛을 낼 때와는 달리 발열은 동반되지 않는다. 이러한 성질을 가진 물질을 형광물질 또는 형광체라고 하며, 형광체가 내는 빛을 형광이라고 한다.

생물학 실험에서 브롬화에티듐으로 염색한 아가로스 겔에 자외선을 조사하면 주황색 형광이 나타난다. 이는 브롬화에티듐이 DNA 분자 사이에 삽입되기 때문이다.


넓은 의미에서 형광은 X선, 자외선, 가시광선 등의 에너지를 흡수하여 전자가 들뜬 상태가 되었다가, 다시 바닥상태로 돌아오면서 과잉 에너지를 전자파 형태로 방출하는 현상(포토루미네센스)을 말한다. 물질에 X선을 조사하면 구성 원소의 안쪽 껍질 전자가 튀어나가고, 빈자리에 바깥쪽 껍질 전자가 이동하면서 과잉 에너지를 X선으로 방출하는데, 이를 '''형광 X선''' ('''특성 X선''', '''고유 X선''')이라고 한다. 형광 X선 분석은 이러한 형광 X선을 이용하여 물질 속 특정 원소를 정량하는 방법이다.

형광은 흡수보다 감도가 좋기 때문에, HPLC(고속액체크로마토그래피) 등에서 미량 분석 시 대상 물질을 형광 유도체로 변환하여 분석하기도 한다. 분광형광광도계는 포토루미네센스를 직접 관찰하는 데 사용된다.

형광 염료는 평상시에는 무색이지만, 자외선~가시광선 중 단파장 영역의 빛으로 청색 형광을 발하여 종이와 천의 누런 기를 감추는 효과가 있어 형광증백제로 사용된다. 형광등은 저압 수은등 안쪽에 수은이 방출하는 자외선을 흡수하여 가시광선을 내는 물질을 칠한 것이다. 형광을 내는 물질에 특정 물질을 첨가하면 형광이 사라지는데, 이를 '''소광'''이라고 하며, 소광을 일으키는 물질을 '''소광제'''라고 한다.

무기형광체에는 산화우라늄을 함유한 카나리유리·납유리, 시안화백금, 알칼리토류 금속의 황화물 등이 있다. 유기형광체에는 석유, 플루오레세인·에오진·에스크린·키닌염류의 수용액 등이 있으며, 최근에는 많은 유기형광체가 합성되어 도료나 염료로 사용된다. 생물체 내 생물발광의 원인이 되는 물질도 형광물질이며, 유기형광체는 보통 분자 내 형광단(螢光團)을 함유한 거대 분자가 형광을 낸다.

2. 1. 형광과 관련된 법칙

카샤의 법칙은 들뜬 단일항 상태에서 바닥 상태로 전이될 때, 광자는 가장 낮은 들뜬 상태에서 방출된다는 법칙이다. 경상 법칙은 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼 사이의 관계를 설명하는 법칙으로, 두 스펙트럼은 서로 거울에 비친 듯한 대칭적인 모습을 보인다. 스토크스 이동은 흡수된 빛의 파장과 방출된 빛의 파장 사이의 차이를 의미하며, 형광 현상에서 에너지가 손실됨을 보여준다.

2. 2. 형광과 인광의 차이

인광은 빛(전자기파)을 제거했을 때 발광 지속 시간이 짧아 잔광이 거의 없는 형광과 달리, 발광 지속 시간이 길어 잔광이 남는 현상이다.

분자 수준에서 보면, 발광 과정의 시작 상태와 종료 상태의 스핀 다중도가 같으면 "형광", 항간교차에 의해 다중도가 달라지면 "인광"이라고 한다. 스핀 다중도가 다른 전이는 금지되어 있기 때문에 인광은 형광보다 발광 수명이 길다. 하지만, 형광과 같은 상태 간 전이임에도 발광 수명이 긴 '''지연 형광'''도 존재하므로, 최근에는 다른 분류 방법도 사용된다. 지연 형광은 여기된 후 스핀 다중도가 다른 상태로 전이되었다가, 금지 전이를 거쳐 발광 과정으로 들어가기 때문에 (삼중항 여기자에서 단일항 여기자로 돌아가 형광을 방출) 수명이 길다.

형광과 인광의 메커니즘 차이


한편, 결정에서는 분자와 달리 스핀 다중도를 특정하기 어렵기 때문에, 발광 수명이 발광 과정의 전이 확률에 의해 결정되는 것을 "형광", 여기 상태에서 발광 과정으로 이동하기까지의 전이 확률에 의해 결정되는 것을 "인광"이라고 한다.

형광의 예로는 형광색, 형광증백제, 형광 비가시잉크, 플라즈마 디스플레이 등의 모니터, 형광등, 백라이트(냉음극관), 루미나이트 인쇄의 (무기)형광체, 생물 실험(염색)에서의 형광 색소 등이 있다. 인광의 예로는 축광도료(야광도료), 피난 유도 표지 등이 있다.

3. 역사

형광 현상은 오래전부터 알려져 왔으며, 그 명칭과 과학적 이해는 여러 단계를 거쳐 발전했다.

1852년 조지 가브리엘 스토크스는 형석, 우라늄 유리 등에서 자외선과 같은 보이지 않는 빛을 가시광선으로 바꾸는 현상을 발견하고, 이를 '형광(fluorescence)'이라고 명명했다. 그는 형석(fluorite)이라는 광물에서 이 현상을 관찰하여 '형광'이라는 이름을 붙였다.[1]

그러나 형광 현상에 대한 관찰과 기록은 스토크스 이전에도 있었다. 1819년 E.D. 클라크[5]와 1822년 르네 쥐스트 아위[6]는 형석의 색 변화를 기술했고, 1833년 데이비드 브루스터 경은 엽록소에서 비슷한 현상을 관찰했다.[7] 1845년 존 허셜 경은 퀴닌 용액의 형광 현상을 연구했다.[8][9]

1842년 A.E. 베크렐은 황화칼슘이 태양 자외선에 노출된 후 빛을 방출하며, 이때 방출되는 빛의 파장이 입사광보다 길다는 사실을 발견했다. 베크렐이 관찰한 황화칼슘의 현상은 오늘날 인광으로 알려져 있다.[1]

19세기 후반, 구스타프 비데만은 가열된 물체가 빛을 내는 백열 현상과 형광의 차이점을 강조하며, 온도와 관계없이 빛을 방출하는 현상을 통칭하는 발광이라는 용어를 제안했다.[1]

1950년대와 1970년대에 분광법과 양자 전자공학이 발전하면서, 빛을 생성하는 다양한 메커니즘과 그 지속 시간의 차이를 구별할 수 있게 되었다. 현대 과학에서는 형광, 인광, 지속 인광 등의 용어를 사용하여 발광 현상을 구분한다. 예를 들어 형광은 나노초 단위의 매우 짧은 시간 동안 지속되는 반면, 인광은 더 오랜 시간 동안 빛을 방출한다. 지속 인광은 몇 초에서 몇 시간까지 빛이 지속되는 현상을 말한다.[11]

3. 1. 초기 관찰 및 기록

형광 현상은 그 명칭이 붙고 이해되기 오래전부터 관찰되었다.[1] 초기 관찰은 아즈텍인들에게 알려져 있었고,[1] 1560년 베르나르디노 데 사아군과 1565년 니콜라스 모나르데스에 의해 ''리그눔 네프리티쿰''(라틴어로 "신장 나무"라는 뜻)으로 알려진 침출액에서 기술되었다. 이것은 두 종류의 나무, ''프테로카르푸스 인디쿠스''와 ''아이젠하르티아 폴리스타키아''의 목재에서 유래했다.[2][3][4]

프테로카르푸스 인디쿠스(Pterocarpus indicus)로 만든 컵과 그 나무의 형광 용액이 담긴 플라스크(''Lignum nephriticum'')


아이젠하르티아 폴리스타키아(Eysenhardtia polystachya)에 있는 형광 물질인 마틀라린


이 형광을 담당하는 화합물은 마틀라린으로, 이 목재에서 발견되는 플라보노이드 중 하나의 산화 생성물이다.[2]

1819년 E.D. 클라크[5]와 1822년 르네 쥐스트 아위[6]는 빛이 반사되거나 (겉보기에는) 투과될 때 색깔이 다른 여러 종류의 형석을 기술했다. 1833년 데이비드 브루스터 경은 엽록소에서 비슷한 효과를 기술했다.[7] 존 허셜 경은 1845년 퀴닌을 연구했다.[8][9]

1842년 A.E. 베크렐은 황화칼슘이 태양 자외선에 노출된 후 빛을 방출하는 것을 관찰하여 방출된 빛이 입사광보다 파장이 더 길다는 것을 처음으로 밝혔다. 1852년 조지 가브리엘 스토크스는 형석, 우라늄 유리 및 기타 많은 물질이 가시광선의 보라색 끝 너머의 보이지 않는 빛을 가시광선으로 변환하는 능력을 설명했다. 그는 이 현상을 ''형광''이라고 명명했다.[1]

3. 2. 형광 명명 및 연구

1560년 베르나르디노 데 사하군과 1565년 니콜라스 모나르데는 우리기 내에서 두 종류의 나무, ''인도자단(Pterocarpus indicus)''과 ''Eysenhardtia polystachya''에서 비롯된 형광을 기술했다.[91][92][93][94] 이 형광을 일으키는 화합물은 마틀라린으로, 이 나무에서 발견되는 플라보노이드 중 하나의 산화물이다.[91]

형광 현상은 이름이 붙여지고 이해되기 오래전부터 관찰되었다.[1] 초기 형광 관찰은 아즈텍인들에게 알려져 있었고,[1] 1560년 베르나르디노 데 사아군과 1565년 니콜라스 모나르데스에 의해 ''리그눔 네프리티쿰''(라틴어로 "신장 나무"라는 뜻)으로 알려진 침출액에서 기술되었다. 이것은 ''프테로카르푸스 인디쿠스''와 ''아이젠하르티아 폴리스타키아''의 목재에서 유래했다.[2][3][4]

1819년 E.D. 클라크[5]와 1822년 르네 쥐스트 아위[6]는 빛이 반사되거나 투과될 때 색깔이 다른 여러 종류의 형석을 기술했다. 1833년 데이비드 브루스터 경은 엽록소에서 비슷한 효과를 기술했다.[7] 1845년 존 허셜 경은 퀴닌을 연구했다.[8][9]

1842년 A.E. 베크렐은 황화칼슘이 태양 자외선에 노출된 후 빛을 방출하는 것을 관찰하여, 방출된 빛이 입사광보다 파장이 더 길다는 것을 처음으로 밝혔다. 베크렐이 황화칼슘으로 설명한 현상은 현재 인광이라고 불린다.[1]

1852년 조지 가브리엘 스토크스는 형석과 우라늄 유리 등이 가시광선의 보라색 끝 너머의 보이지 않는 빛을 가시광선으로 변환하는 능력을 설명했다. 그는 이 현상을 ''형광''이라고 명명했다.[1] 그는 형석에서 유래한 '형광'이라는 용어를 사용했다.[10]

1950년대와 1970년대 사이 분광법과 양자 전자공학의 발전을 통해 빛을 생성하는 세 가지 다른 메커니즘을 구분하고, 그 메커니즘이 흡수 후 감쇠하는 데 걸리는 일반적인 시간 척도를 좁히는 방법을 알게 되었다. 현대 과학에서 이 구분은 레이저와 같은 일부 품목이 일반적으로 나노초(10억분의 1초) 범위에서 발생하는 가장 빠른 감쇠 시간을 필요로 하기 때문에 중요해졌다. 물리학에서 이 첫 번째 메커니즘은 "형광" 또는 "단일항 방출"이라고 불렸으며, 루비와 같은 많은 레이저 매질에서 일반적이다. 다른 형광 물질은 원자 중 일부가 스핀을 삼중항 상태로 변경하기 때문에 훨씬 더 긴 감쇠 시간을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 따라서 여기하에 형광으로 밝게 빛나지만 여기가 제거된 후 짧은 시간 동안 어두운 잔광을 생성하며, 이는 "인광" 또는 "삼중항 인광"이라고 명명되었다. 일반적인 감쇠 시간은 수 마이크로초에서 1초까지 다양하며, 이는 인간의 눈 기준으로 여전히 충분히 빠르기 때문에 구어체로 형광이라고 한다. 일반적인 예로는 형광등, 유기 염료, 심지어 형석도 포함된다. 일반적으로 야광 물질이라고 하는 더 긴 방출기는 1초에서 수 시간까지 다양하며, 이 메커니즘은 다른 두 가지 메커니즘과 구별하기 위해 지속 인광 또는 지속 발광이라고 불렸다.[11]

4. 물리적 원리



넓은 의미의 형광은 X선, 자외선, 가시광선 등이 조사되어 그 에너지를 흡수함으로써 전자가 여기되고, 그것이 바닥상태로 돌아올 때 과잉 에너지를 전자파로서 방출하는 현상(포토루미네센스)이다.[12] 형광 관찰은 흡수 관찰보다 감도가 우수하여, HPLC(고속액체크로마토그래피) 등에서 미량 분석 시 대상 물질을 형광 유도체로 변환하여 분석하는 방법이 자주 사용된다.

물질에 파장이 짧은 X선을 조사하면 구성 원소의 내각 전자가 원자 밖으로 튀어나가고, 빈 궤도에 바깥쪽 껍질에서 전자가 천이하며 과잉 에너지를 X선으로 방출한다. 이 X선은 '''형광 X선''' ('''특성 X선''' 또는 '''고유 X선''')이라고 불리며, 방출 원소에 따라 에너지가 결정된다. 따라서 특성 X선을 조사하여 물질 속 원소를 정량할 수 있는데, 이를 형광 X선 분석이라고 한다.

형광을 발하는 물질에 그 에너지를 흡수할 수 있는 적절한 에너지 준위를 가진 물질을 첨가하면 형광이 소멸하는데, 이를 '''소광'''이라 하고, 소광을 일으키는 물질을 '''소광제'''라고 한다.[13]

4. 1. 메커니즘

형광은 여기된 분자, 원자 또는 나노구조체가 전자 스핀의 변화 없이 광자 방출을 통해 더 낮은 에너지 상태(보통 바닥 상태)로 이완될 때 발생한다. 초기 상태와 최종 상태의 다중도(스핀)가 다를 때는 이 현상을 인광이라고 한다.[12]

대부분 분자의 바닥 상태는 S0로 표시되는 일중항 상태이다. 주목할 만한 예외는 분자 산소로, 삼중항 바닥 상태를 갖는다. 에너지 h \nu_{ex} 의 광자 흡수는 바닥 상태와 같은 다중도(스핀)의 여기 상태, 일반적으로 일중항(n > 0인 Sn)을 생성한다. 용액에서 n > 1인 상태는 내부 전환 후 진동 이완을 포함한 비방사 과정을 통해 용매 분자에 에너지를 전달함으로써 첫 번째 여기 상태(S1)의 가장 낮은 진동 수준으로 빠르게 이완되며, 이때 에너지는 열로 소산된다.[13] 따라서 형광은 가장 일반적으로 첫 번째 여기된 일중항 상태 S1에서 발생한다. 형광은 여기 상태가 바닥 상태로 이완될 때 수반되는 광자 방출이다. 형광 광자는 여기 상태를 생성하는 데 사용된 광자의 에너지(h \nu_{ex} )에 비해 에너지가 낮다(h \nu_{em} ).

  • 여기: \mathrm{S}_0 + h \nu_\text{ex} \to \mathrm{S}_1
  • 형광(방출): \mathrm{S}_1 \to \mathrm{S}_0 + h \nu_\text{em}


각 경우에 광자 에너지 E는 E=h\nu에 따라 그 진동수 \nu에 비례하며, 여기서 h는 플랑크 상수이다.

여기 상태 S1은 빛의 방출을 포함하지 않는 다른 메커니즘에 의해 이완될 수 있다. 비방사 과정이라고 하는 이러한 과정은 형광 방출과 경쟁하여 효율을 낮춘다.[13] 예로는 내부 전환, 삼중항 상태로의 계간 교차, 다른 분자로의 에너지 전달이 있다. 에너지 전달의 예로는 포스터 공명 에너지 전달이 있다. 여기 상태에서의 이완은 충돌 소광을 통해서도 발생할 수 있으며, 이 과정에서 분자(소광제)가 여기 상태 수명 동안 형광 분자와 충돌한다. 분자 산소(O2)는 특이한 삼중항 바닥 상태 때문에 형광의 매우 효율적인 소광제이다.

4. 2. 양자 수율

형광 양자 수율은 형광 과정의 효율을 나타낸다. 흡수된 광자 수에 대해 방출된 광자 수의 비율로 정의된다.[23][13]

: \Phi = \frac {\text{방출된 광자 수}} {\text{흡수된 광자 수}}

최대 가능한 형광 양자 수율은 1.0(100%)이며, 흡수된 각 광자는 하나의 광자를 방출한다. 양자 수율이 0.10인 화합물도 상당히 형광성이 있는 것으로 간주된다. 형광의 양자 수율을 정의하는 또 다른 방법은 들뜬 상태 붕괴의 속도이다.

: \Phi = \frac{ { k}_{ f} }{ \sum_{i}{ k}_{i } }

여기서 { k}_{ f}는 자발 방출의 속도 상수이고,

: \sum_{i}{ k}_{i }

는 모든 들뜬 상태 붕괴 속도의 합이다. 들뜬 상태 붕괴의 다른 속도는 광자 방출 이외의 메커니즘에 의해 발생하며, "비방사 속도"라고 불리기도 한다. 여기에는 다음이 포함될 수 있다.

  • 동적 충돌적 소광
  • 근접장 쌍극자-쌍극자 상호 작용(또는 공명 에너지 전달)
  • 내부 전환
  • 계간 교차


어떤 경로의 속도가 변하면 들뜬 상태 수명과 형광 양자 수율 모두 영향을 받는다.

형광 양자 수율은 표준과의 비교를 통해 측정된다.[14] 퀴닌 염인 황산퀴닌의 황산(황산) 용액은 가장 일반적인 형광 표준으로 간주되었지만,[15] 최근 연구에 따르면 이 용액의 형광 양자 수율은 온도에 크게 영향을 받으므로 더 이상 표준 용액으로 사용해서는 안 된다. 0.1 M 과염소산 속 퀴닌은 45°C까지 온도 의존성을 보이지 않으므로 신뢰할 수 있는 표준 용액으로 간주될 수 있다.[16]

4. 3. 수명

형광 수명은 분자가 광자를 방출하기 전에 여기 상태에 머무르는 평균 시간을 말한다. 형광은 일반적으로 일차 반응 속도론을 따른다.[1]

: \left[S_1 \right] = \left[S_1 \right]_0 e^{-\Gamma t}

여기서 \left[S_1 \right]는 시간 t에서 여기 상태 분자의 농도이고, \left[S_1 \right]_0는 초기 농도이며, \Gamma는 감쇠율 또는 형광 수명의 역수이다. 이것은 지수 감쇠의 한 예이다. 다양한 복사 및 비복사 과정이 여기 상태를 비우게 할 수 있다. 이러한 경우 총 감쇠율은 모든 속도의 합이다.[1]

: \Gamma_{tot}=\Gamma_{rad} + \Gamma_{nrad}

여기서 \Gamma_{tot}는 총 감쇠율, \Gamma_{rad}는 복사 감쇠율, \Gamma_{nrad}는 비복사 감쇠율이다. 이것은 일차 속도 상수가 모든 속도의 합인 일차 화학 반응과 유사하며(병렬 동역학 모델), 자발 방출 속도 또는 다른 속도가 빠르면 수명이 짧다. 일반적으로 사용되는 형광 화합물의 경우, UV에서 근적외선까지의 에너지를 가진 광자 방출에 대한 전형적인 여기 상태 감쇠 시간은 0.5~20 나노초 범위 내에 있다. 형광 수명은 형광 공명 에너지 전달 및 형광 수명 이미징 현미경과 같은 형광의 실제 응용에 중요한 매개변수이다.[1]

4. 4. 야블론스키 다이어그램

야블론스키 다이어그램은 들뜬 상태 분자의 이완 메커니즘을 설명하는 다이어그램이다. 이 다이어그램은 분자의 특정 들뜬 전자가 이완되면서 형광이 어떻게 발생하는지를 보여준다.[17]

4. 5. 형광 이방성

형광단은 전이 모멘트가 광자의 전기 벡터와 평행할 때 광자에 의해 여기될 가능성이 더 높다.[23] 방출된 빛의 편광 또한 전이 모멘트에 따라 달라진다. 전이 모멘트는 형광단 분자의 물리적 방향에 따라 달라진다. 용액 속 형광단의 경우, 방출된 빛의 강도와 편광은 회전 확산에 따라 달라지므로, 이방성 측정은 특정 환경에서 형광 분자가 얼마나 자유롭게 움직이는지 조사하는 데 사용할 수 있다.

형광 이방성은 다음과 같이 정량적으로 정의할 수 있다.

:r = {I_\parallel - I_\perp \over I_\parallel + 2I_\perp}

여기서 I_\parallel는 여기광의 편광과 평행한 방출 강도이고, I_\perp는 여기광의 편광에 수직인 방출 강도이다.[13]

이방성은 흡수되거나 방출되는 빛의 강도와 무관하며, 빛의 특성이다. 따라서 염료의 광표백은 신호가 검출 가능한 한 이방성 값에 영향을 미치지 않는다.

5. 형광의 종류

형광은 특정 물질이 빛을 흡수하여 그 빛과는 다른 파장의 빛을 방출하는 현상이다. 이때 발열은 동반되지 않는다. 이러한 물질을 형광물질 또는 형광체라고 하며, 형광체가 내는 빛을 형광이라고 한다. 시계 문자판의 야광도료가 대표적인 예이다.

무기형광체에는 산화우라늄을 함유한 카나리유리, 납유리, 시안화백금, 알칼리토류 금속의 황화물 등이 있다. 유기형광체에는 석유, 플루오레세인, 에오진, 에스크린, 키닌염류의 수용액 등이 있으며, 최근에는 다양한 유기형광체가 합성되어 도료나 염료로 사용되고 있다. 생물체 내에서 생물발광의 원인이 되는 물질도 형광물질의 일종이다.

미국 20달러 지폐의 형광 보안 띠 (자외선 조명 아래)


강한 형광을 띠는 안료는 "네온 색상" (1960년대 후반과 1970년대 초에는 "데이글로(day-glo)")으로 불리기도 한다. 헤르만 폰 헬름홀츠는 이 현상을 "Farbenglut"이라고 명명했고, 랄프 M. 에반스는 "fluorence"라고 명명했다.[18]

형광(Fluorescence)은 분자가 자외선이나 가시광선과 같은 전자기파를 흡수하고, 이보다 더 낮은 에너지(더 긴 파장)의 광자를 방출하는 현상이다. 흡수된 빛과 방출되는 빛의 색이 다르다. 여기 빛은 전자를 여기 상태로 만들고, 분자가 다시 바닥 상태로 돌아갈 때 광자를 방출하는 것이 형광 방출이다. 여기 상태의 수명이 짧기 때문에, 빛의 방출은 흡수하는 빛이 있을 때만 관찰된다. 생물체에서 발생하는 형광은 생물형광(biofluorescence)이라고 하며, 생물발광 및 생물인광과는 구분된다.[24] 브라질 대서양림에 서식하는 호박두꺼비는 형광을 낸다.[25]

루미네선스에는 화학 발광의 일종인 루미놀 발광도 포함된다.

넓은 의미의 형광은 X선, 자외선, 가시광선 등이 조사되어 그 에너지를 흡수함으로써 전자가 여기되고, 그것이 바닥상태로 돌아올 때 과잉 에너지를 전자파로서 방출하는 것(포토루미네센스)이다. 분광형광광도계는 포토루미네센스를 직접 관찰하는 기기이다. 형광은 흡수보다 감도가 우수하므로, HPLC(고속액체크로마토그래피) 등에서 미량 분석 시 대상 물질을 형광 유도체로 변환하여 분석하기도 한다.

물질에 X선을 조사하면 구성 원소의 내각 전자가 튀어나가고, 빈 궤도에 바깥쪽 껍질의 전자가 천이하면서 과잉 에너지를 X선으로 방출한다. 이를 '''형광 X선''' ('''특성 X선''' 또는 '''고유 X선''')이라고 하며, 형광 X선 분석에 사용된다.

형광 염료는 형광 능력을 가진 염료이다. 형광증백제는 평소에는 무색이지만, 자외선~가시광선 중 단파장 영역의 빛으로 청색 형광을 발하여 종이나 천의 누런 기를 감추는 효과가 있다.

형광등은 저압 수은등 내면에 수은이 발하는 자외선을 흡수하여 가시광선을 발하는 형광 물질을 도포한 것이다. 형광을 발하는 물질에 특정 에너지 준위를 가진 물질을 첨가하면 형광이 소멸하는데, 이를 '''소광'''이라고 하고, 소광을 일으키는 물질을 '''소광제'''라고 한다.

형광색으로 페인트한 그림. 블랙라이트 아래에서 강하게 발광하고 있다.


형광 노란색, 형광 주황색, 형광 분홍색 등은 '''네온 컬러'''라고도 불린다. 형광 안료 등의 형광 색소는 도료, 인쇄 잉크, 색연필, 크레파스, 형광펜 잉크 등의 문구류, 완구, 안전 방재용 색재, 방범 용품(컬러볼 등)에 활용된다. 로드콘, 경비원의 형광 반사 조끼, 소방차 도색에도 형광색과 유사한 색상이 사용된다.[90] 이들은 일반 광선 아래에서 색의 반사 외에 자외선~가시광선 중 단파장 영역의 빛을 흡수하여 포토루미네선스로 발색하므로 일반 색보다 선명하게 보인다. 아침, 저녁, 흐린 날, 비 오는 날씨에는 시인성이 더 좋아진다. 블랙라이트 조사 하에서는 더욱 강하게 발광하며, 일반적으로 잔광성은 없다.

방범 컬러볼

5. 1. 공명 형광 (Resonance Fluorescence)

일반적으로 여기(勵起)에 사용된 빛(전자기파)을 제거했을 때 발광이 지속되는 수명이 짧은(거의 없는) 것을 광의의 형광이라고 한다. 형광의 사례는 다음과 같다.

  • 형광색, 형광증백제와 형광 비가시잉크(평상시에는 무색투명으로 블랙라이트 등의 단파장 광 조사 중에 발광 발색)
  • 플라즈마 디스플레이 등의 모니터, 형광등, 백라이트(냉음극관)
  • 루미나이트 인쇄의 (무기)형광체(평상시에는 무색으로 단파장 광 조사로 발광 발색)
  • 생물 실험(염색)에서의 형광 색소


분자에서는 발광 과정의 시초 상태와 종료 상태의 스핀 다중도가 같은 것을 "형광"이라고 한다. 한편, 결정에서는 분자와 달리 스핀 다중도의 특정이 어렵기 때문에, 발광 수명이 발광 과정의 전이 확률로 결정되는 것을 "형광"이라고 한다.

5. 2. 스토크스 형광 (Stokes Fluorescence)



광의의 형광 중에서 일반적으로 여기(勵起)에 사용된 빛(전자기파)을 제거했을 때 발광이 지속되는 수명이 짧은(거의 없는) 것을 형광이라고 한다. 형광은 형광색, 형광증백제와 형광 비가시잉크(평상시에는 무색투명으로 블랙라이트 등의 단파장 광 조사 중에 발광 발색), 플라즈마 디스플레이 등의 모니터, 형광등, 백라이트(냉음극관), 루미나이트 인쇄의 발광에 사용되는 (무기)형광체(평상시에는 무색으로 단파장 광 조사로 발광 발색), 생물 실험(염색)에서의 형광 색소 등에 사용된다.

분자에서 발광 과정의 시초 상태와 종료 상태의 스핀 다중도가 같은 것을 "형광"이라고 한다. 스핀 다중도가 다른 전이는 금제이기 때문에 수명이 길어진다. 그러나 형광과 같은 상태 간의 전이에 기인함에도 발광 수명이 긴 '''지연 형광'''이라고 불리는 현상도 있기 때문에, 최근에는 다른 분류 방법도 존재한다. 지연 형광에서는 여기된 후에 일단 스핀 다중도가 다른 상태로의 전이가 일어나고, 거기서 금제 전이를 일으켜 발광 과정으로 들어가기 때문에(삼중 여기자에서 다시 단일 여기자로 돌아가 거기서 형광) 수명이 길다.

한편, 결정에서는 분자와 달리 스핀 다중도의 특정이 어렵기 때문에, 발광 수명이 발광 과정의 전이 확률로 결정되는 것을 "형광"이라고 한다.

5. 3. 반-스토크스 형광 (Anti-Stokes Fluorescence)



반-스토크스 형광은 일반적인 형광(스토크스 형광)과 반대로 흡수한 빛보다 파장이 짧은 빛을 방출하는 현상이다. 즉, 방출되는 빛의 에너지가 흡수된 빛의 에너지보다 더 크다.

일반적인 형광에서는 전자가 외부 에너지를 흡수하여 높은 에너지 준위로 여기된 후, 낮은 에너지 준위로 돌아오면서 흡수한 에너지보다 낮은 에너지의 빛(더 긴 파장의 빛)을 방출한다. 반면, 반-스토크스 형광에서는 이미 에너지가 높은 상태(열적으로 여기된 상태 등)에 있는 전자가 외부 에너지를 추가로 흡수하여 더 높은 에너지 준위로 이동한 후, 낮은 에너지 준위로 돌아오면서 흡수한 에너지의 총합보다 더 큰 에너지의 빛(더 짧은 파장의 빛)을 방출한다.

6. 경험적 규칙

형광과 관련된 몇 가지 일반적인 규칙이 있다. 다음 규칙들에는 예외가 있지만 형광을 이해하는 데 유용한 지침이 된다(이 규칙들은 반드시 이광자 흡수에 적용되는 것은 아니다).


  • 카샤의 법칙
  • 거울상 규칙(Mirror image rule)
  • 스토크스 이동

6. 1. 카샤의 규칙

카샤의 규칙(카샤의 규칙)은 분자의 발광(형광 또는 인광)이 주어진 다중도의 가장 낮은 들뜬 상태에서만 방출된다는 것을 나타낸다.[19] 바빌로프의 규칙(카샤-바빌로프 규칙이라고도 불리는 카샤의 규칙의 논리적 확장)은 발광의 양자 수율이 여기(여기) 방사의 파장과 무관하며 여기된 파장의 흡광도에 비례한다고 명시한다.[20] 카샤의 규칙은 항상 적용되는 것은 아니며, 아줄렌과 같은 간단한 분자에서는 위반된다.[21] 여전히 예외가 있지만 다소 더 신뢰할 수 있는 진술은 형광 스펙트럼이 여기 방사의 파장에 거의 의존하지 않는다는 것이다.[22]

6. 2. 거울상 규칙

많은 형광체에서 흡수 스펙트럼은 방출 스펙트럼의 거울상이다.[23] 이를 거울상 규칙이라고 하며, 프랑크-콘돈 원리와 관련이 있다. 프랑크-콘돈 원리는 전자 전이가 수직적이라는 것, 즉 야블론스키 다이어그램에서 수직선으로 나타낼 수 있듯이 거리가 변하지 않고 에너지만 변한다는 의미이다. 이는 핵이 움직이지 않고 여기 상태의 진동 준위가 바닥 상태의 진동 준위와 유사함을 의미한다.

6. 3. 스토크스 이동

일반적으로 방출되는 형광의 파장은 흡수된 빛보다 길고 에너지는 더 낮다.[23] 이 현상을 스토크스 이동이라고 하며, 광자가 흡수된 시점과 새로운 광자가 방출되는 시점 사이의 에너지 손실 때문이다. 스토크스 이동의 원인과 크기는 복잡할 수 있으며 형광체와 그 환경에 따라 달라진다. 그러나 몇 가지 일반적인 원인이 있다. 종종 여기 상태의 가장 낮은 진동 에너지 준위로의 비방출적 붕괴가 일어나기 때문이다. 또 다른 요인은 형광의 방출이 종종 형광체를 바닥 상태의 더 높은 진동 준위에 남겨두기 때문이다.

7. 자연에서의 형광

형광 산호


자연에는 형광을 나타내는 물질이 많다. 녹색눈(greeneye)과 같은 일부 심해 동물은 형광 구조를 가지고 있다.[70]



안트라센이나 스틸벤과 같은 유기 용액은 벤젠이나 톨루엔에 용해되어 자외선 또는 감마선 조사에 의해 형광을 나타낸다. 이 형광의 감쇠 시간은 나노초 단위이며, 빛의 지속 시간은 형광 물질의 여기 상태 수명에 따라 달라진다.[71]

섬광은 투명한 물질을 입자(전자, 알파 입자, 이온 또는 고에너지 광자)가 통과할 때 발생하는 빛의 섬광으로 정의된다. 스틸벤과 그 유도체는 이러한 입자를 검출하는 섬광 계수기에 사용된다. 스틸벤은 염료 레이저에 사용되는 이득 매질 중 하나이기도 하다.

자외선(UV)으로 발광하는 자외선 형광 광물


자외선에 의해 형광을 발하는 광물은 다음과 같다. (단, 산지 등에 따라 형광을 발하지 않는 것도 있다.)

광물
형석
방해석
석고
아담석
인회우라늄석
우라늄유리
인회석
휘중석
지르콘
옥적석(오팔의 일종)
규회석
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7. 1. 수생 생물

녹색눈(greeneye)과 같은 일부 심해 동물은 형광 구조를 가지고 있다.[50]

7. 1. 1. 유광층

자외선 아래의 형광 점무늬나무개구리


양서류에서 형광은 널리 퍼져 있으며 여러 과의 개구리, 도롱뇽, 영원에서 확인되었지만, 그 정도는 매우 다양하다.[50]

남아메리카에 널리 서식하는 점무늬나무개구리(''Hypsiboas punctatus'')는 2017년에 우연히 최초의 형광 양서류로 발견되었다. 형광은 림프와 피부샘에서 발견된 새로운 화합물에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.[51] 주요 형광 화합물인 하이로인-L1은 자외선에 노출되면 청록색 형광을 낸다. 이 발견을 한 과학자들은 형광이 의사소통에 사용될 수 있다고 제안했다. 그들은 형광이 개구리들에게 비교적 널리 퍼져 있을 가능성이 있다고 추측했다.[52] 몇 달 후, 가까운 종인 ''Hypsiboas atlanticus''에서도 형광이 발견되었다. 피부샘 분비물과 관련이 있기 때문에, 개구리가 지나간 표면에 형광 자국을 남길 수도 있다.[53]

2019년에는 브라질 남동부에 서식하는 작은 호박두꺼비(''Brachycephalus ephippium'')와 붉은호박두꺼비(''B. pitanga'') 두 종의 개구리에서 자외선에 노출될 때 피부를 통해 보이는 형광 골격이 발견되었다.[54][55] 처음에는 형광이 이미 경계색(독성이 있음)을 보완하거나 짝짓기 선택(종 인식 또는 잠재적 파트너의 적합성 판단)과 관련이 있다고 추측되었지만,[54] 후속 연구에 따르면, 형광의 유무가 포식 시도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 전자 설명은 가능성이 낮은 것으로 보인다.[56]

2020년에는 청색 또는 자외선에 노출된 성체 개구리뿐 아니라 올챙이, 도롱뇽, 영원에서도 녹색 또는 노란색 형광이 널리 퍼져 있음이 확인되었다. 그 정도는 종에 따라 크게 다르며, 어떤 종에서는 매우 뚜렷하고 다른 종에서는 거의 눈에 띄지 않는다. 피부 색소, 점액 또는 뼈에 기반할 수 있다.[50]

7. 1. 2. 무광층

양서류에서 형광은 널리 퍼져 있으며 여러 과의 개구리, 도롱뇽, 영원에서 확인되었지만, 그 정도는 매우 다양하다.[50]

2017년 남아메리카에 널리 서식하는 점무늬나무개구리(''Hypsiboas punctatus'')가 최초의 형광 양서류로 우연히 발견되었다. 형광은 림프와 피부샘에서 발견된 새로운 화합물에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.[51] 주요 형광 화합물인 하이로인-L1은 자외선에 노출되면 청록색 형광을 낸다. 이 발견을 한 과학자들은 형광이 의사소통에 사용될 수 있다고 제안했으며, 형광이 개구리들에게 비교적 널리 퍼져 있을 가능성이 있다고 추측했다.[52] 몇 달 후, 가까운 종인 ''Hypsiboas atlanticus''에서도 형광이 발견되었다. 피부샘 분비물과 관련이 있기 때문에, 개구리가 지나간 표면에 형광 자국을 남길 수도 있다.[53]

2019년에는 브라질 남동부에 서식하는 작은 호박두꺼비(''Brachycephalus ephippium'')와 붉은호박두꺼비(''B. pitanga'') 두 종의 개구리에서 자외선에 노출될 때 피부를 통해 보이는 형광 골격이 발견되었다.[54][55] 처음에는 형광이 이미 경계색(독성이 있음)을 보완하거나 짝짓기 선택(종 인식 또는 잠재적 파트너의 적합성 판단)과 관련이 있다고 추측되었지만,[54] 후속 연구에 따르면, 형광의 유무가 포식 시도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 전자 설명은 가능성이 낮은 것으로 보인다.[56]

2020년에는 청색 또는 자외선에 노출된 성체 개구리뿐 아니라 올챙이, 도롱뇽, 영원에서도 녹색 또는 노란색 형광이 널리 퍼져 있음이 확인되었다. 그 정도는 종에 따라 크게 다르며, 어떤 종에서는 매우 뚜렷하고 다른 종에서는 거의 눈에 띄지 않는다. 피부 색소, 점액 또는 뼈에 기반할 수 있다.[50]

7. 2. 육상 생물

호랑나비속 나비는 형광을 방출하는 복잡한 시스템을 가지고 있다. 날개에는 색소가 함유된 결정체가 있어 방향성 형광을 생성하는데, 이 결정체는 하늘색 빛(파장 약 420nm)을 흡수할 때 형광을 가장 잘 생성한다. 나비가 가장 잘 보는 빛의 파장은 나비 날개의 결정체 흡수 파장과 일치하며, 이는 신호 전달 능력을 향상시키는 역할을 할 가능성이 높다.[57]

앵무새, 일부 거미와 전갈, 오리너구리 등 다양한 생물 종에서 형광이 발견된다. 앵무새의 형광 깃털은 짝짓기 신호로 사용될 수 있으며, 거미의 형광은 포식자-피식자 상호 작용, 종내 의사소통 등에 영향을 줄 수 있다. 전갈은 큐티클에 β-카볼린이 존재하기 때문에 형광을 발한다.

많은 식물은 엽록소 때문에 형광을 낸다. 엽록소는 가장 널리 분포된 형광 분자이며, 다양한 여기 파장 아래에서 붉은색 방출을 생성한다.[62] 이러한 엽록소의 특성은 생태학자들이 광합성 효율을 측정하는 데 사용된다.[63]

분꽃 꽃에는 보라색 형광 베타시아닌과 노란색 형광 베타잔틴이 들어 있다. 베타잔틴만 포함하는 꽃 부분은 백색광 아래에서 노란색으로 보이지만, 베타잔틴과 베타시아닌이 모두 존재하는 부분에서는 내부의 빛 필터링 메커니즘으로 인해 꽃의 가시 형광이 흐릿해진다. 형광은 이전에 수분 매개자 유인에 역할을 하는 것으로 제안되었지만, 나중에 형광에 의한 시각 신호는 꽃이 반사하는 빛의 시각 신호에 비해 무시할 만하다는 것이 밝혀졌다.[64]

7. 2. 1. 양서류



형광은 여러 과의 개구리, 도롱뇽, 영원을 포함한 양서류에서 널리 퍼져 있으며, 그 정도는 매우 다양하다.[50]

점무늬나무개구리( ''Hypsiboas punctatus'')는 2017년에 남아메리카에서 우연히 발견된 최초의 형광 양서류이다. 형광은 림프와 피부샘에서 발견된 새로운 화합물에서 비롯된 것으로 밝혀졌다.[51] 주요 형광 화합물인 하이로인-L1은 자외선에 노출되면 청록색 형광을 낸다. 과학자들은 이 형광이 의사소통에 사용될 수 있다고 제안했으며, 개구리들에게 비교적 널리 퍼져 있을 가능성이 있다고 추측했다.[52] 몇 달 후, 가까운 종인 ''Hypsiboas atlanticus''에서도 형광이 발견되었다. 피부샘 분비물과 관련이 있기 때문에, 개구리가 지나간 표면에 형광 자국을 남길 수도 있다.[53]

2019년에는 브라질 남동부에 서식하는 호박두꺼비( ''Brachycephalus ephippium'')와 붉은호박두꺼비( ''B. pitanga'')에서 자외선에 노출될 때 피부를 통해 보이는 형광 골격이 발견되었다.[54][55] 처음에는 형광이 경계색(독성이 있음)을 보완하거나 짝짓기 선택(종 인식 또는 잠재적 파트너의 적합성 판단)과 관련이 있다고 추측되었지만,[54] 후속 연구에 따르면 형광 유무가 포식 시도에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.[56]

2020년에는 청색 또는 자외선에 노출된 성체 개구리뿐 아니라 올챙이, 도롱뇽, 영원에서도 녹색 또는 노란색 형광이 널리 퍼져 있음이 확인되었다. 그 정도는 종에 따라 크게 다르며, 어떤 종에서는 매우 뚜렷하고 다른 종에서는 거의 눈에 띄지 않는다. 형광은 피부 색소, 점액 또는 뼈에 기반할 수 있다.[50]

7. 2. 2. 곤충

주어진 소스에는 '곤충' 섹션 제목에 맞는 형광 현상에 대한 내용이 없습니다. 따라서 해당 섹션에 작성할 내용이 없습니다.

7. 2. 3. 조류

앵무새는 짝짓기 신호로 사용될 수 있는 형광 깃털을 가지고 있다. 잉꼬(''Melopsittacus undulates'')를 대상으로 한 짝짓기 선택 실험 연구에서는 수컷과 암컷 모두 형광 실험 자극을 가진 새들을 상당히 더 선호하는 것으로 나타나, 형광 성적 신호에 대한 강력한 증거가 발견되었다.[58] 이 연구는 앵무새의 형광 깃털이 단순한 색소의 부산물이 아니라 적응된 성적 신호임을 시사한다. 형광 색소를 생성하는 경로가 복잡한 것을 고려하면, 상당한 비용이 수반될 수 있다. 따라서 강한 형광을 나타내는 개체는 관련 비용을 감당할 수 있기 때문에 높은 개체 품질의 솔직한 지표가 될 수 있다.[58]

7. 2. 4. 거미류

거미는 자외선 아래서 형광을 발하며, 매우 다양한 형광체를 가지고 있다. 앤드루스(Andrews), 리드(Reed) 및 마스타(Masta)는 거미가 형광이 "분류학적으로 널리 퍼져 있고, 다양하게 발현되며, 진화적으로 불안정하고, 아마도 선택의 영향을 받으며, 종내 및 종간 신호 전달에 생태적으로 중요할 가능성이 있는" 유일하게 알려진 그룹이라고 지적했다.[59] 그들은 형광이 거미 분류군에서 여러 번 진화했으며, 거미의 다양화 과정에서 새로운 형광체가 진화했음을 보여주었다.

일부 거미에서 자외선 신호는 포식자-피식자 상호 작용, 종내 의사소통 및 형광 꽃과의 위장 일치에 중요하다. 형광이 거미가 숨는 데 도움이 되는지 또는 포식자에게 더 눈에 띄게 만드는지에 따라 서로 다른 생태적 환경은 형광 발현의 억제 또는 증강을 선호할 수 있다. 따라서 자연 선택은 거미 종 간의 형광 발현에 작용할 수 있다.[59]

전갈 또한 큐티클에 β-카볼린이 존재하기 때문에 형광을 발한다.[60]

형광을 발하는 전갈

7. 2. 5. 포유류

2020년에 여러 오리너구리 표본에서 형광이 보고되었다.[61]

7. 2. 6. 식물

엽록소를 포함한 다양한 식물에서 형광 현상이 나타난다. 식물은 빛 에너지를 흡수하여 광합성에 사용하는데, 이 과정에서 일부 에너지가 형광 형태로 방출된다.

다음은 형광을 나타내는 몇 가지 예시이다.

  • 비타민 B2는 노란색 형광을 낸다.
  • 토닉워터는 키니네 성분 때문에 파란색 형광을 낸다.
  • 형광펜 잉크는 피라닌 성분 때문에 형광을 내는 경우가 많다.

7. 3. 무생물

대기에서의 형광은 공기가 강력한 전자 폭격을 받을 때 관찰된다. 자연적인 오로라, 고고도 핵폭발, 로켓으로 발사된 전자총 실험과 같은 경우에 형성된 분자와 이온은 빛에 대한 형광 반응을 보인다.[72]

이 외에도 비타민 B2는 노란색 형광을, 토닉워터는 키니네 성분 때문에 파란색 형광을 낸다. 형광펜 잉크는 피라닌 성분 때문에 형광을 내는 경우가 많으며, 지폐, 우표, 신용카드는 종종 형광 보안 기능을 가지고 있다.

7. 3. 1. 광물학, 보석학 및 지질학



자외선 조사에 의해 형광(포토루미네선스)을 발하는 광물에는 다음과 같은 것이 있다.[72] 단, 산지 등에 따라 형광을 발하지 않는 것도 있다.

광물
형석
방해석
석고
아담석
인회우라늄석
우라늄유리
인회석
휘중석
지르콘
옥적석(오팔의 일종)
규회석
Esperite|에스페라이트영어


7. 3. 2. 유기 액체

오로라, 고고도 핵폭발, 로켓 발사 전자총 실험 등에서 공기가 강력한 전자 폭격을 받을 때 대기에서 형광이 관찰된다. 이때 형성된 분자와 이온은 빛에 대한 형광 반응을 보인다.[72]

  • 비타민 B2는 노란색 형광을 낸다.
  • 토닉워터는 키니네 성분 때문에 파란색 형광을 낸다.
  • 형광펜 잉크는 피라닌 성분 때문에 형광을 내는 경우가 많다.
  • 지폐, 우표, 신용카드는 종종 형광 보안 기능을 가지고 있다.

7. 3. 3. 대기

대기에서의 형광은 공기가 강력한 전자 폭격을 받을 때 관찰된다. 오로라, 고고도 핵폭발, 로켓으로 발사된 전자총 실험과 같은 경우에 형성된 분자와 이온은 빛에 대한 형광 반응을 보인다.[72]

8. 생물발광 및 생물인광과의 비교

형광은 생물발광 및 생물인광과 혼동되어서는 안 된다.[24]

구분형광생물발광인광
정의외부 광원(자외선, 가시광선 등)을 흡수하여 더 긴 파장의 빛을 방출하는 현상생물체 내부의 화학 반응으로 빛을 생성하는 현상외부 광원을 흡수하여 여기된 전자가 안정 상태를 유지하며, 광원 제거 후에도 빛을 방출하는 현상
메커니즘전자가 외부 광원에 의해 여기되었다가 바닥 상태로 돌아가면서 광자 방출생물체 내부의 화학 반응으로 빛 생성외부 광원에 의해 여기된 전자가 안정 상태를 유지하다가 광원 제거 후 천천히 빛 방출
사례호박두꺼비[25]반딧불이, 낚시꾼물고기[26]어둠 속에서 빛나는 스티커[28] (생체 인광성을 가진 동물은 알려지지 않음)[28]



레닐라 레니포르미스처럼 생물발광과 형광을 모두 나타내는 생물도 있는데, 여기서 생물발광은 형광의 광원 역할을 한다.[27]

8. 1. 생물발광

생물발광은 생물체 내부의 화학 반응에 의해 빛이 자연적으로 생성되는 현상인 반면, 형광은 환경으로부터 빛을 흡수하고 재방출하는 현상이다.[24] 반딧불이와 낚시꾼물고기는 생물발광 생물의 예이다.[26] 바다 팬지 레닐라 레니포르미스처럼 생물발광과 형광을 모두 나타내는 생물도 있는데, 여기서 생물발광은 형광의 광원 역할을 한다.[27]

8. 2. 인광



넓은 의미의 형광 중에서, 빛(전자기파)을 제거했을 때 발광이 지속되는 수명이 짧은(거의 없는) 것을 형광, 수명이 길어 잔광하는 것을 인광이라고 한다. 인광(축광)은 축광도료(야광도료), 피난 유도 표지 등에 쓰인다.[24]

분자에서는 발광 과정의 처음 상태와 종료 상태의 스핀 다중도가 같은 것을 "형광"이라고 하고, 항간교차에 의해 같지 않게 되는 것을 "인광"이라고 한다. 스핀 다중도가 다른 전이는 금지되어 있기 때문에 수명이 길어진다. 그러나 형광과 같은 상태 간의 전이에 기인함에도 발광 수명이 긴 '''지연 형광'''이라고 불리는 현상도 있기 때문에, 최근에는 다른 분류 방법도 존재한다. 지연 형광에서는, 여기된 후에 일단 스핀 다중도가 다른 상태로의 전이가 일어나고, 거기서 금지된 전이를 일으켜 발광 과정으로 들어가기 때문에(삼중항 여기자에서 다시 단일항 여기자로 돌아가 거기서 형광) 수명이 길다.[24]

결정에서는 분자와 달리 스핀 다중도를 특정하기 어렵기 때문에, 발광의 수명이 발광 과정의 전이 확률로 결정되는 것을 "형광", 여기되어 발광 과정으로 이동할 때까지의 전이 확률로 결정되는 것을 "인광"이라고 한다.[24]

9. 메커니즘

루미네선스는 화학 발광과 같이 화학 반응을 통해 생성된 여기 상태의 분자에서 빛이 방출되는 현상이다. 루미놀의 발광이 그 예시이다.

9. 1. 표피 색소포

형광을 나타내는 색소세포는 형광 색소포(fluorescent chromatophore)라고 하며, 일반적인 색소포와 유사하게 체세포적으로 기능한다. 이 세포들은 가지돌기(dendritic) 모양이며, 플루오로좀(fluorosome)이라는 색소를 포함하고 있다. 이 색소는 형광 단백질을 포함하고 있으며, K+(칼륨) 이온에 의해 활성화된다. 형광 색소포 내에서의 이러한 단백질의 이동, 응집 및 분산이 방향성 형광 패턴을 만든다.[38][29] 형광 세포는 멜라닌(melanin)을 포함하는 색소세포인 멜라노포어(melanophore)와 마찬가지로 신경계에 의해 지배를 받는다. 단기적인 형광 패턴과 신호 전달은 신경계에 의해 조절된다.[38] 형광 색소포는 다른 색소포들 사이에서 표피 바로 아래의 피부(예: 물고기)에서 발견될 수 있다.

물고기의 표피 형광 세포는 멜라노포어와 마찬가지로 α-MSH와 MCH 호르몬의 호르몬 자극에도 반응한다. 이는 형광 세포가 그들의 생체리듬과 일치하는 하루 동안 색깔 변화를 가질 수 있음을 시사한다.[30] 물고기는 또한 포식자와의 상호 작용이나 짝짓기 의식과 같은 환경 자극에 대한 코르티솔(cortisol) 유도 스트레스 반응에 민감할 수 있다.[38]

9. 2. 계통 발생

GFP 및 GFP 유사 단백질은 빛에 의해 활성화되는 전자 공여체로 시작되었을 것으로 추측된다. 이후 이 전자들은 빛 에너지를 필요로 하는 반응에 사용되었을 것이다. 햇빛으로부터의 보호, 빛을 다른 파장으로 변환하거나 신호 전달과 같은 형광 단백질의 기능은 이차적으로 진화했을 것으로 생각된다.[32]

형광은 신호 전달 및 의사소통, 짝짓기, 유인, 위장, 자외선 차단 및 항산화, 광순응, 디노플라젤라 조절 및 산호 건강에 중요한 기능을 하는 것으로 추정된다.[33]

9. 2. 1. 진화적 기원

GFP 및 GFP 유사 단백질은 빛에 의해 활성화되는 전자 공여체로 시작되었을 것으로 추측된다. 이후 이 전자들은 빛 에너지를 필요로 하는 반응에 사용되었을 것이다. 햇빛으로부터의 보호, 빛을 다른 파장으로 변환하거나 신호 전달과 같은 형광 단백질의 기능은 이차적으로 진화했을 것으로 생각된다.[32]

9. 2. 2. 적응 기능

형광 및 형광 단백질의 기능적 중요성에 대해서는 현재 비교적 알려진 바가 적다.[32] 그러나 형광은 신호 전달 및 의사소통, 짝짓기, 유인, 위장, 자외선 차단 및 항산화, 광순응, 디노플라젤라 조절 및 산호 건강에 중요한 기능을 하는 것으로 추정된다.[33]

많은 식물은 엽록소의 존재로 인해 형광을 낸다. 엽록소는 아마도 가장 널리 분포된 형광 분자일 것이며, 다양한 여기 파장 아래에서 붉은색 방출을 생성한다.[62] 엽록소의 이러한 특성은 생태학자들이 광합성 효율을 측정하는 데 일반적으로 사용된다.[63]

분꽃( ''Mirabilis jalapa'') 꽃에는 보라색 형광 베타시아닌과 노란색 형광 베타잔틴이 들어 있다. 백색광 아래에서 베타잔틴만 포함하는 꽃의 부분은 노란색으로 보이지만, 베타잔틴과 베타시아닌이 모두 존재하는 부분에서는 내부의 빛 필터링 메커니즘으로 인해 꽃의 가시 형광이 흐릿해진다. 형광은 이전에 수분 매개자 유인에 역할을 하는 것으로 제안되었지만, 나중에 형광에 의한 시각 신호는 꽃에 의해 반사된 빛의 시각 신호에 비해 무시할 만하다는 것이 밝혀졌다.[64]

10. 응용

형광 현상은 다양한 분야에서 널리 응용된다.


  • 조명: 형광등은 유리관 내부의 수은이 방전으로 자외선을 방출하고, 이 자외선이 관 안쪽에 칠해진 형광 물질에 흡수되어 가시광선을 방출하는 원리로 작동한다. 백열등보다 에너지 효율이 높지만, 스펙트럼이 불균일하여 색상이 다르게 보일 수 있다.[77] LED 램프는 반도체에서 방출되는 청색광과 형광체의 조합으로 백색광을 방출한다.[79] 케미컬 라이트도 형광 물질을 이용하여 빛을 낸다.[77]
  • 분석화학: 형광 광도계를 사용하여 1조 분의 1 수준의 낮은 농도의 형광 분자도 측정할 수 있다.[80] HPLC나 TLC에서 형광을 이용해 화합물을 검출하기도 한다.
  • 분광학: 형광 분석은 물질에 빛을 쪼여 방출되는 형광을 분석하여 물질의 성분과 특성을 파악하는 방법이다. 형광 X선 분석은 물질에 X선을 쪼여 방출되는 형광 X선을 분석하여 원소 조성을 알아낸다.
  • 레이저: 유기 염료 등 특정 물질의 형광을 활성 매질로 사용한다.[82]
  • 생화학 및 의학: 형광은 생체 분자를 추적하거나 분석하는 데 사용된다. 형광단으로 표지된 단백질이나 세포 구성 요소를 현미경으로 관찰할 수 있다.[23]
  • 법의학: 지문이나 혈흔 등 증거물을 형광 물질을 이용해 검출한다.[1]
  • 비파괴 검사: 형광침투탐상검사는 부품 표면의 균열을 찾는 데 사용되며, 염료추적법은 배관 시스템의 누출을 찾는 데 사용된다.[7]
  • 표지판: 형광색은 일반 색상보다 멀리서도 잘 보이기 때문에 도로 표지판이나 안전 표지판에 자주 사용된다.[89]
  • 광학 증백제: 형광 안료는 도료, 잉크, 색연필, 형광펜 등에 사용되어 일반 색상보다 더 선명하게 보이도록 한다. 로드콘, 경비원의 반사 조끼 등에도 사용된다.


자외선 A파(블랙라이트)로 비추는 형광 페인트와 플라스틱. Beo Beyond의 그림.


형광 노란색 배경에 "school zone"이라는 글자가 적힌 도로 표지판


10. 1. 조명

일반적인 형광등은 형광 현상을 이용한다. 유리관 내부는 부분 진공 상태이며 소량의 수은이 들어 있다. 관 내부의 방전으로 수은 원자가 주로 자외선을 방출한다. 관에는 '형광체'라고 하는 형광 물질이 코팅되어 있는데, 이는 자외선을 흡수하여 가시광선을 재방출한다.[77] 형광 조명은 백열등보다 에너지 효율이 높다. 그러나 기존 형광등의 불균일한 스펙트럼 때문에 백열등이나 태양광으로 조명할 때와는 달리 특정 색상이 다르게 보일 수 있다. 수은 증기 방출 스펙트럼은 254nm(형광체에 대부분의 에너지를 공급)의 단파장 UV 선이 주를 이루며, 436nm(청색), 546nm(녹색), 579nm(황적색)의 가시광선 방출이 수반된다. 일반적인 백색 형광등에서 방출되는 빛을 휴대용 분광기로 관찰하면 이 세 개의 선이 흰색 연속선 위에 겹쳐 나타나는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 가시광선과 함께 3가 유로피움과 3가 테르븀의 방출선, 그리고 청색 영역에서 2가 유로피움의 연속 방출이 더해져, 더 나은 색 재현을 목표로 하는 많은 소형 형광등과 기존 형광등에 사용되는 현대적인 삼색 형광체 시스템의 불연속적인 빛 방출을 구성한다.[77]

형광등은 1939년 뉴욕 세계 박람회에서 처음으로 대중에게 공개되었다. 그 이후로 형광체의 개선, 수명 연장, 더욱 일관된 내부 방전, 그리고 사용이 간편한 형태(소형 형광등과 같이)가 주요 개선 사항이었다. 일부 고강도 방전등(HID 램프)은 더욱 높은 전기 효율과 형광체 향상을 결합하여 색 재현율을 높였다.[78]

백색 발광 다이오드(LED)는 1990년대 중반에 LED 램프로 출시되었는데, 여기서 반도체에서 방출되는 청색광이 작은 칩에 증착된 형광체에 충돌한다. 형광체를 통과하는 청색광과 형광체의 녹색에서 적색 형광의 조합으로 순수한 백색광이 방출된다.[79]

케미컬 라이트는 때때로 형광 물질을 이용하여 화학 발광 반응에서 나오는 빛을 흡수하고 다른 색의 빛을 방출한다.[77]

10. 2. 분석화학

많은 분석 절차는 일반적으로 단일 여기 파장과 단일 검출 파장을 사용하는 형광 광도계를 포함한다. 이 방법이 제공하는 감도 때문에, 1조 분의 1 파트만큼 낮은 형광 분자 농도도 측정할 수 있다.[80]

여러 파장의 형광은 어레이 검출기로 검출하여 HPLC 흐름에서 화합물을 검출할 수 있다. 또한, 화합물이나 착색 시약이 형광을 나타내는 경우 TLC 플레이트를 시각화할 수 있다. 형광은 볼츠만 분포에서 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 비율이 더 클 때 가장 효과적이다. 그러면 낮은 에너지 원자에 의한 광자의 여기 및 방출 확률이 높아져 분석 효율이 향상된다.

포토루미네센스를 직접 관찰하는 기기로는 주로 분광형광광도계가 사용된다. 또한, 형광을 관찰하는 것은 흡수를 관찰하는 것보다 감도적으로 우수하기 때문에, HPLC 등에서 미량 분석을 할 때에는 대상 물질을 형광을 발하는 유도체로 변환하여 분석하는 방법이 자주 사용된다.

10. 3. 분광학

일반적으로 형광 분석에는 여러 파장의 빛을 방출할 수 있는 광원이 필요하다. 보통은 단일 파장의 빛이 분석에 적절하므로, 빛을 선택적으로 통과시키기 위해 여기 단색화 장치를 사용한다. 그 후 선택된 파장의 빛이 시료 셀을 통과한다. 에너지가 흡수되고 다시 방출된 후에는 스톡스 이동 및 다양한 전자 전이 때문에 여러 파장이 나타날 수 있다. 이러한 파장들을 분리하고 분석하기 위해 형광 방사선을 방출 단색화 장치에 통과시킨 후 검출기에서 선택적으로 관찰한다.[81]

넓은 의미에서 형광은 X선, 자외선, 가시광선 등이 물질에 쪼여져 에너지를 흡수함으로써 전자가 들뜬 상태가 되고, 다시 바닥 상태로 돌아올 때 남는 에너지를 전자기파 형태로 방출하는 현상(포토루미네센스)이다.

포토루미네센스를 직접 관찰하는 장비로는 주로 분광 형광 광도계가 사용된다. 형광을 관찰하는 것은 빛의 흡수를 관찰하는 것보다 감도가 좋기 때문에, HPLC(고속 액체 크로마토그래피) 등에서 미량 분석을 할 때 대상 물질을 형광을 내는 유도체로 만들어 분석하는 방법이 자주 사용된다.

물질에 파장이 짧은 X선을 쪼이면, 그 물질을 구성하는 원소의 안쪽 껍질 전자가 원자 밖으로 튕겨 나간다. 이로 인해 생긴 빈 궤도에 바깥쪽 껍질의 전자가 이동하면서 남는 에너지를 X선 형태로 방출한다. 이 X선을 '''형광 X선'''이라고 부른다. 형광 X선의 에너지는 방출하는 원소에 따라 정해지므로, '''특성 X선''' 또는 '''고유 X선'''이라고도 한다. 따라서 어떤 특성 X선이 얼마나 나오는지를 조사하여 물질에 포함된 원소를 정량할 수 있다. 이러한 원소 분석법을 형광 X선 분석이라고 한다.

형광을 낼 수 있는 염료는 형광 염료라고 한다. 평소에는 무색이지만, 자외선이나 가시광선 중 짧은 파장 영역의 빛을 받으면 청색 형광을 내는 염료는 종이나 천의 누런색을 감추는 효과가 있어 형광증백제로 사용된다.

형광등은 저압 수은등 안쪽에 수은이 방출하는 자외선을 흡수하여 형광으로 가시광선을 내는 물질을 칠한 것이다.

형광을 내는 물질에 그 에너지를 흡수할 수 있는 적절한 에너지 준위를 가진 물질을 첨가하면 형광이 사라진다. 이를 '''소광'''이라고 하며, 소광을 일으키는 물질을 '''소광제'''라고 한다.

10. 4. 레이저

레이저는 루비(크롬 사파이어)에서 생성되는 붉은색 광, 티타늄 사파이어의 적외선 또는 유기 염료가 생성하는 무한한 색상 범위와 같이 특정 물질의 형광을 활성 매질로 사용한다.[82] 이러한 물질들은 자발 방출이라는 과정을 통해 형광을 발하는데, 모든 방향으로 빛이 방출되고 종종 여러 개의 이산적인 스펙트럼 선이 동시에 방출된다.[82]

펌핑을 통해 형광 매질은 강렬한 광원에 노출되어 반전 분포가 생성된다. 즉, 기저 상태(낮은 에너지)보다 여기 상태(높은 에너지)에 있는 원자가 더 많아진다. 이 현상은 자발 형광이 다른 원자가 동일한 방향과 파장으로 광자를 방출하도록 유도하여 유도 방출을 일으킨다. 자발 형광의 일부가 두 거울 사이에 갇히면 매질의 형광 대부분이 동일한 선을 따라 방출되어 레이저 빔을 생성한다.[82]

589nm로 조정된 염료 레이저의 내부 공진기. 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저에서 나오는 녹색 빔이 염료 용액을 노란색으로 형광 발광시켜 거울 배열 사이에 빔을 생성한다.

10. 5. 생화학 및 의학

세 가지 채널로 특정 세포 구성 요소를 표시한 현미경 사진의 내피 세포


생명과학에서 형광 현상은 비파괴적인 방법으로 생체 분자를 추적하거나 분석하는 데 사용된다. 이는 특정 주파수에서 형광 방출을 이용하는데, 여기 광(excitation light)으로부터의 배경이 없기 때문이다. 세포 구성 요소 중 자연적으로 형광을 띠는(내재적 또는 자가형광) 것은 비교적 적다.[23]

단백질이나 다른 구성 요소는 외인성 형광단으로 "표지"될 수 있다. 형광 염료는 작은 분자, 단백질 또는 양자점일 수 있으며, 많은 생물학적 응용 분야에서 광범위하게 사용된다.[23]

염료의 정량화는 분광형광광도계를 사용하여 수행되며, 추가적인 응용 분야가 있다.

10. 6. 법의학

지문은 닌히드린이나 DFO(1,8-디아자플루오렌-9-온)와 같은 형광 화합물을 이용하여 시각화할 수 있다. 혈흔이나 기타 물질은 플루오레세인과 같은 형광 시약으로 검출되는 경우가 있다. 섬유 및 법의학에서 발견되거나 다양한 수집품과 관련이 있을 수 있는 기타 물질은 형광을 띠는 경우가 있다.[1]

10. 7. 비파괴 검사

형광침투탐상검사는 부품 표면의 균열 및 기타 결함을 찾는 데 사용된다. 형광 염료를 사용하는 염료추적법은 액체 및 가스 배관 시스템의 누출을 찾는 데도 사용된다.[7]

10. 8. 표지판

형광색은 특히 도로 표지판에서 자주 사용된다. 형광색은 일반적인 형광이 아닌 색상보다 더 먼 거리에서 인식할 수 있으며, 형광 주황색이 특히 눈에 띈다.[89] 이러한 특성 때문에 안전 표지판과 라벨에 자주 사용된다.

형광 노란색, 형광 주황색, 형광 분홍색 등은 '''네온 컬러'''라고도 불린다.

10. 9. 광학 증백제



형광 안료 등의 형광 색소는 도료, 인쇄 잉크, 색연필, 크레파스, 형광펜의 잉크(라인 마커) 등의 문구류와 완구, 안전 방재용 색재, 방범 용품(컬러볼 등)에 활용된다. 로드콘이나 경비원의 형광 반사 조끼 등에도 형광색과 유사한(일반 색 + 형광색 혼합 등) 것이 사용된다. 형광 의류(Hi-visibility clothing)는 고시인성 의류라고도 불린다. 소방차 도색에도 형광 주홍색이 사용되고 있다.[90] 이들은 일반 광선 아래에서 색의 일반적인 반사 외에 자외선~가시광선 중 단파장 영역의 빛을 흡수하여 포토루미네선스에 의해 발색하기 때문에 일반 색보다 더 선명하게 보인다. 또한 태양광 중 가시광선의 감소에 따라 가시광선에 대한 자외광의 비율이 높아지는 아침, 저녁, 흐린 날, 비 오는 날씨에는 시인성이 더욱 향상된다. 블랙라이트(생 UV 광선) 조사 하에서는 더욱 강하게 발광한다. 일반적으로 잔광성은 없다.

11. 새로운 기술

2020년 8월, 연구원들은 양이온성 염료를 음이온 결합 시아노스타르 거대고리와 혼합하여 염료의 공간적 및 전기적 격리를 통해 고형광 염료의 특성을 전달함으로써 지금까지 가장 밝은 형광 고체 광학 재료를 만들었다고 보고했다.[73][74][75][76] 공동 저자에 따르면 이러한 재료는 태양 에너지 수확, 생체 이미징, 레이저와 같은 분야에 응용될 수 있다.[73][74][75][76]

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