전통적인 필름 사진에서 할로젠화 은이 빛을 받았을 때 잠상을 형성는 원리가 궁금합니다.

Question

전통적인 필름 사진에서 할로젠화 은이 빛을 받았을 때 잠상을 형성하는데요, 빛 에너지가 은 이온을 금속 은 원자로 환원시켜 미세한 결정핵을 만드는 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

필름의 감광층에 도포된 할로젠화 은 결정이 빛을 받아 실질적인 금속 은 입자로 변하는 과정은 광전 효과와 이온의 이동이 결합된 정교한 연쇄 반응입니다.

​할로젠화 은 결정은 평상시에 은 이온과 할로젠 이온이 규칙적으로 배열된 격자 구조를 이룹니다. 여기에 외부의 빛 에너지가 도달하면 결정 내부에 있던 전자가 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 됩니다. 자유로워진 전자는 결정 내부를 돌아다니다가, 결정 구조의 결함이나 불순물이 섞여 있는 '감도 중심'이라는 특정 지점에 포획됩니다. 이때 전자가 몰린 감도 중심은 일시적으로 강한 음전하를 띠게 됩니다.

​결정 내부에서 비교적 자유롭게 움직일 수 있었던 양전하 상태의 은 이온들은 음전하를 띠는 감도 중심을 향해 정전기적 인력으로 끌려갑니다. 감도 중심에 도달한 은 이온은 기다리고 있던 전자와 결합하여 전하를 잃고 중성 상태인 금속 은 원자로 환원됩니다. 이 과정이 반복되면서 여러 개의 은 원자가 뭉쳐 아주 미세한 금속 은 덩어리를 형성하는데, 이것이 바로 우리 눈에는 보이지 않지만 현상 과정을 통해 사진이 될 씨앗인 '잠상'입니다.

​화학적 관점에서 보면 빛 에너지가 전자라는 매개체를 통해 이온 사이의 결합 상태를 변화시켜, 화학적으로 안정된 이온 결합을 물리적인 금속 결합으로 전환하는 셈입니다. 이렇게 형성된 미세한 결정핵들은 이후 현상액과 반응할 때 촉매 역할을 하여, 빛을 받은 부분의 할로젠화 은만이 거대한 은 입자로 성장하게 만들어 우리가 보는 흑백 사진의 형상을 완성하게 됩니다.

Answer 2

안녕하세요.

전통적인 필름 사진의 핵심 감광 물질은 브롬화은, 염화은과 같은 할로젠화 은 결정인데요, 이 물질들은 평소에는 비교적 안정한 이온 결정 상태로 존재하며, 은은 Ag⁺ 이온 형태로, 할로젠 원소는 Br⁻·Cl⁻·I⁻ 형태로 격자 안에 배열되어 있습니다. 필름이 빛을 받기 전까지는 이 결정들이 특별한 변화를 거의 일으키지 않지만 빛, 특히 가시광선이나 자외선의 광자가 결정에 흡수되면 상황이 달라집니다. 광자의 에너지가 결정 내 전자에게 전달되면, 할로젠화 은 결정 속 전자가 들뜬 상태가 되어 자유롭게 이동할 수 있는 전도 전자로 전환됩니다. 이렇게 생성된 전자는 결정 내부를 이동하다가 결정 결함 부위나 감광 중심이라 불리는 미세한 황화은 등의 불순물 부근에 포획되는데요, 이 부위는 전자를 붙잡기 쉬운 자리이므로 전자가 모이기 시작합니다. 그 후 주변의 Ag⁺ 이온이 이 전자를 받아 환원 반응을 일으킵니다. 즉 Ag⁺ + e⁻ → Ag⁰ 반응이 일어나며, 이온 상태의 은이 전자를 얻어 중성 금속 은 원자로 바뀌는데요, 이때 만들어진 은 원자는 매우 작고 눈에 보이지 않을 정도로 적은 수지만, 몇 개가 한곳에 모이면 미세한 은 집합체, 즉 잠상 핵이 형성됩니다.

다만 이 잠상은 아직 육안으로는 보이지 않는데요, 생성된 금속 은의 양이 너무 적어 빛을 충분히 흡수하거나 반사할 만큼 크지 않기 때문입니다. 하지만 이 미세한 은 핵은 이후 현상액에 들어갔을 때 매우 중요한 촉매 중심 역할을 합니다. 현상액은 노출된 결정 전체를 무차별적으로 환원시키는 것이 아니라, 이미 잠상 핵이 존재하는 결정에서 훨씬 빠르게 작용하기 때문에 빛을 많이 받은 부분일수록 더 많은 잠상 핵이 생기고, 현상 과정에서 더 많은 금속 은으로 성장하여 검게 변합니다. 반대로 빛을 받지 않은 결정은 잠상 핵이 거의 없어서 현상액에 잘 반응하지 않고, 이후 정착 과정에서 제거됩니다.

감사합니다.