플라스틱에 자외선을 조사하여 형광을 발생시킨 모습.
1. 개요
螢光 / fluorescence특정 물질이 전자기파(빛도 포함)를 흡수해서 빛을 내는 현상을 말한다. 대개는 흡수한 전자기파보다 긴 파장의 빛을 내놓지만, 흡수된 전자기파가 아주 강력하면 그 전자기파의 파장보다 짧은 빛을 내놓기도 한다. 실생활에서 가장 흔한 형광은, 눈에 보이지 않는 자외선을 흡수해서 눈에 보이는 빛을 내놓는 형태다.
2. 상세
형광물질이 흡수한 에너지를 긴 시간 동안 방출하여서 낮에 흡수한 에너지로 밤에 빛을 내는 것을 야광이라고 한다. 형광 물질에 전자기파를 쏘이면 원자의 궤도 전자가 들뜬 상태에 올라갔다가 다시 바닥 상태로 떨어지면서 전자기파(가시광선)를 내놓게 되는데, 이것이 바로 형광이다. 들뜬 상태에서 거의 곧바로 바닥상태로 돌아가면 형광, 들뜬 상태에서 바닥상태로 전환되기까지 시간이 걸리면 야광이라 할 수 있다. 즉, 방사성 원소가 불안정 상태에서 안정상태로 바뀌는데 걸리는 시간이 각 방사성 원소마다 다 달라서 반감기가 천차만별인 것처럼, 형광은 반감기가 극도로 짧고, 야광은 반감기가 꽤 길다고 볼 수 있다.앞서 형광물질이라고 설명한 것과 달리 특정 성질의 물질에서만 형광효과가 발생하는 것은 아니다. 어느 원소든지 특정한 파장의 전자기파를 받아 들뜬 상태가 되었다가 가시광선을 내고 바닥상태로 돌아갈 수 있다. 다시 말해 지금 이 글을 읽고 있는 당신 주변의 물체들이나 당신의 몸에서도 형광효과가 일어날 수 있다. 이론적으로 가능할 뿐 현실적으론 있을 수 없는 일이고, 그러한 전자기파에 피폭되었다간 자체발광의 문제 이전에 당신의 생명에 심각한 위협이 될 수도 있다.
형광 하면 생각나는 것이 바로 흔히 볼수 있는 형광등. 유리관 안을 공기를 뺀 후 수은 증기를 조금 넣은 것이 형광등이다. 유리관 양 쪽에 전압을 걸면 전자가 튀어나와서 수은 원자에 부딪치고, 이 수은 원자는 자외선을 방출한다. 자외선은 눈에 안 보이니까 유리관 안쪽에 형광 물질을 발라두어서 빛으로 바뀌도록 만들었다. 즉, 수은 전자로부터 나온 자외선이 형광물질에 흡수되어 가시광선으로 바뀌도록 한 것이다.
백색 LED도 형광을 이용한 것이다. 모식적으로 비유하면 쌀알만한 LED 패키지를 볼 때 플라스틱 몰드가 우물 벽 모양으로 성형되어 있고, 우물의 바닥에는 청색광을 내는 LED 칩이 실장되어 있다. 우물 안은 투명한 실리콘으로 채워 바닥의 칩을 보호하는데 이 때 실리콘에 색색의 형광 물질 가루를 풀기 때문에 실리콘이 노란색을 띄게 된다. 칩이 특정 파장으로 발광하면 에너지를 받은 형광체의 에너지 준위가 들뜬 상태로 되고, 이내 바닥 상태로 떨어져 안정을 찾으며 황색 정도로 발광하게 된다. 이 때 칩의 청색광과 보색인 형광체의 황색광이 함께 발광해 백색광을 구현한다. 이 백색 구현 방식은 단가나 내구성 등의 측면에서 가장 널리 쓰이는 방식이나 칩 자체가 청색광인 만큼 연색성이 조금 떨어져 흔히 말하는 블루라이트 신드롬의 원인이 된다.
방사능에 무덤덤했던 예전에는 우라늄을 유리에 조금 섞어 접시 등을 만들기도 했다. 이렇게 하면 자외선을 받을 때 형광이 나기 때문이다. 사실 천연 우라늄의 방사선은 투과력과 선량이 작지만, 가까이 둬서 좋을 게 없으므로 지금은 볼 수 없다.
지금은 삼중수소 방사성동위원소가 고가의 시계에 들어가 심해나 야간에도 시간을 확인할 수 있다.
몇몇 생물은 형광색을 가지고 있다. 전갈이 가장 유명하며, 몇몇 해파리, 일부 양서류, 올빼미, 오리너구리도 형광을 띈다.
3. 스토크스의 법칙 (Stokes' law)
형광을 띄는 물질이 형광을 낼 때, 흡수한 빛보다 긴 파장의 빛만을 방출한다는 법칙. 빛을 흡수하여 들뜬 에너지에서 바로 낮은 에너지 준위로 내려가지 않고, 일부는 열과 진동 등의 전자기파가 아닌 형태로 방출된다. 때문에 흡수한 에너지보다 더 작은 에너지만이 빛의 형태로 방출되어 긴 파장을 가진다.4. 활용
형광 현상은 생체 조직을 형광 염료로 염색하여 생물학 연구에 사용되기도 하고, 평소에는 안 보이다가 자외선을 비추면 비로소 보이는 마커등에도 쓰인다. 적은 양의 시료에 적용할 수 있고, 적은 농도도 확인이 가능히다는 장점을 가져 센서로 쓰이기도 한다.요즘은 도시가스배관과 외벽에 형광물질을 발라두어 수사관이 Uv랜턴으로 빈집털이범의 족적을 추적할 수 있다.
현미경으로 물체를 보기전에 염색용으로도 사용하며, 컴퓨터 단층촬영시 형광물질을 주사로 주입하기도 한다.
형광증백제로 종이염색. 휴지염색. 세탁세제등에 사용된다. 다만, 형광증백제는 유해성이 있기에 최근에는 사용이 자제되고 있는 편이다.
형광펜이나 야광봉에도 쓰인다.
디스플레이의 경우 CRT, PDP, VFD에서도 사용된다.
흰색 계열 LED에도 사용되는데, 일반적인 흰색 LED는 파란색 LED에 노란색 형광체를 씌워 만들어진다. RGB 색상을 합해서 흰색을 만들수도 있지만 연색성이 떨어지고 가격이 올라간다. 충격이나 과열 등으로 형광체가 손상되면 로열 블루(Royal blue)라 불리는 강한 푸른빛 내지는 보라색 빛이 나온다. 관련 일화로, LED 가로등에 불량 LED를 이용하여 푸른색 빛을 내는 현상이 발생하기고 한다.