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수려한집게벌레191
밤에 빛나는 표지판에 쓰이는 무기 형광체가 외부 빛 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 되었다가 바닥 상태로 내려오며 빛을 내는 과정이 어떻게 되나요?
밤에 빛나는 표지판에 쓰이는 무기 형광체가 외부 빛 에너지를 흡수하여 들뜬 상태가 되었다가 바닥 상태로 내려오며 빛을 내는 과정이 어떻게 되나요?
3개의 답변이 있어요!
밤에 빛나는 표지판에는 주로 무기 형광체라는 물질이 사용됩니다. 이 물질이 빛을 내는 원리는 원자 수준에서 전자가 에너지를 주고받는 상호작용으로 설명할 수 있습니다.
가장 먼저 일어나는 현상은 에너지 흡수입니다. 태양 광선이나 인공적인 조명 같은 외부의 빛 에너지가 표지판의 형광체에 부딪히면, 형광체 내부에서 안정한 상태로 머물고 있던 전자들이 이 에너지를 받아들입니다. 이때 전자는 에너지가 낮은 바닥 상태에서 에너지가 높은 들뜬 상태로 수직 상승하게 됩니다.
들뜬 상태가 된 전자는 매우 불안정하기 때문에 다시 원래의 안정적인 바닥 상태로 되돌아가려는 성질을 가집니다. 이 과정에서 전자가 가지고 있던 과잉 에너지를 외부로 다시 내뱉게 되는데, 이것이 우리 눈에 보이는 빛의 형태로 나타나는 것입니다. 다만, 흡수한 에너지의 일부는 열로 사라지기 때문에 방출되는 빛은 처음 흡수한 빛보다 에너지가 낮고 파장이 긴 색으로 변해 나타납니다.
특히 밤새도록 빛을 유지하는 야광 표지판의 경우에는 전자가 에너지를 즉시 내보내지 않고 잠시 가두어 두는 결정 구조를 가지고 있습니다. 들뜬 전자가 특수한 트랩에 갇혔다가 아주 천천히 바닥 상태로 떨어지면서 빛을 조금씩 오래 내뿜는 것입니다. 이러한 지연 과정 덕분에 외부 조명이 없는 어두운 밤에도 표지판이 스스로 빛을 내며 시인성을 유지할 수 있게 됩니다.
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채택된 답변안녕하세요.
밤에 빛나는 표지판에 사용되는 무기 형광체는 낮 동안이나 실내 조명 아래서 받은 빛 에너지를 저장했다가 어두운 곳에서 서서히 방출하여 스스로 빛나는 물질입니다. 이는 고체 결정 내부 전자의 에너지 준위 변화에 의해 일어나는 발광 현상입니다. 야광 표지판 재료로 대표적으로 Strontium aluminate 계열 형광체가 많이 쓰이는데요, 여기에 Europium ion, Dysprosium ion 같은 희토류 이온을 소량 도핑하여 발광 특성을 만듭니다. 낮에 햇빛이나 형광등 빛이 비치면, 형광체 내부의 전자가 광자를 흡수하여 바닥상태에서 높은 에너지의 들뜬 상태로 올라갑니다. 이때 일반 형광 물질이라면 전자가 곧바로 다시 내려오며 매우 짧은 시간 안에 빛을 내지만, 야광 표지판용 무기 형광체의 경우에는 일부 들뜬 전자들이 결정 내 결함 자리나 불순물 준위에 포획됩니다.
트랩에 갇힌 전자는 즉시 원래 자리로 돌아가지 못하고 일정 시간 머물기 때문에 어두운 밤이 되어 외부 빛이 사라진 뒤에도, 주변의 미세한 열에너지나 내부 에너지 교환에 의해 전자가 조금씩 트랩에서 빠져나옵니다. 그러면 전자는 다시 발광 중심 쪽으로 이동하며 낮은 에너지 상태로 전이하고, 그 에너지 차이를 광자 형태로 방출되며, 이 광자가 우리가 보는 야광 빛이라고 보시면 됩니다. 이때 빛의 색은 방출되는 광자의 에너지 차이에 따라 결정되는데요, 예를 들어 에너지 차이가 크면 파장이 짧은 청색 쪽, 작으면 녹색이나 황색 쪽으로 나타납니다. 즉 형광은 빛을 끄면 거의 즉시 사라지지만, 야광 표지판은 트랩 덕분에 오랫동안 천천히 빛나는 것입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
문의주신 과정이 바로 형광물질이 어두운 곳에서 빛을 발생시키는 원리 입니다.
흔히 야광물질이라고 하는 것들이 질문하시것과 같은 메커니즘을 가집니다.
야광물질의 경우는 빛이 있을 때 외부의 자외선이나 가시광선을 흡수하여 소위 들뜬 상태라고 하는 에너지 준위의 높은 곳으로 전자가 이동합니다.
야광물질의 경우는 독특하게 바로 곧바로 바닥상태로 전자가 떨어지지 않고 야광물질 내의 불순물로 인해 트랩 이라고 하는 공간에 전자가 잠시 머물게 됩니다.
그래서 바닥상태로 천천히 전자가 이동을 하는데요 이 과정이 상당히 길기 때문에 야광물질이 밤에 오랜시간 빛을 내는 이유 입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)