지폐에 숨겨진 위조 방지 장치인 형광 무늬가 자외선을 비추었을 때만 나타나는 원리를 자외선 에너지 흡수 및 가시광선 방출 과정으로 설명해 주세요.

Question

이충흔 · Accepted Answer

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.지폐에 숨겨진 위조 방지 장치인 형광 무늬는 형광이라는 양자역학적, 화학적 현상을 활용한 것입니다.지폐의 특정 위치에는 특수한 형광 잉크가 인쇄되어 있는데, 이 잉크 분자 속의 전자들은 평소 에너지 수준이 가장 낮은 바닥 상태에서 안정되게 존재합니다. 이 지폐에 자외선을 비추면, 형광 잉크 분자가 자외선의 높은 에너지를 강하게 흡수하여 에너지를 받은 전자는 에너지가 높은 들뜬 상태로 전이 됩니다. 들뜬 상태의 전자는 불안정하기 때문에 다시 바닥 상태로 되돌아 가는데, 이때 흡수한 전체 에너지 중 아주 적은 일부가 분자들의 미세한 진동이나 열 형태로 소실됩니다. 전자가 바닥 상태로 완전히 떨어지면서 남은 에너지를 빛의 형태로 방출되고, 이때 방출되는 빛은 중간에 소량의 에너지를 잃었기 때문에, 처음 흡수했던 자외선보다 에너지가 낮고 파장이 길어져 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 영역으로 진입하게 됩니다. 따라서 지폐의 형광 물질에 빛을 비추면 우리가 볼 수 있는 무늬가 나타나게 됩니다.

김지호 · Answer

안녕하세요. 지폐의 형광 무늬는 형광 물질이 자외선의 에너지를 흡수한 뒤, 그 에너지의 일부를 가시광선으로 방출하는 현상을 이용한 위조 방지 장치입니다. 평소에는 형광 물질이 눈에 잘 보이지 않지만, 자외선을 비추면 형광 물질의 분자가 자외선의 높은 에너지를 흡수합니다. 그러면 분자 안의 전자가 높은 에너지 상태로 올라가는데요, 그러나 이 상태는 불안정하기 때문에 전자는 곧 다시 낮은 에너지 상태로 돌아옵니다. 이 과정에서 흡수했던 에너지 전체를 그대로 방출하는 것이 아니라, 일부 에너지는 분자의 진동이나 열 등의 형태로 소모되고 남은 에너지가 가시광선 형태로 방출됩니다. 이것이 바로 우리가 보는 형광입니다. 즉, 자외선 흡수 → 전자 에너지 증가 → 일부 에너지 손실 → 낮은 에너지 상태로 돌아옴 → 가시광선 방출 → 형광 무늬가 보임이라는 과정입니다. 이때 중요한 것은 자외선과 방출되는 가시광선의 에너지가 다르다는 것인데요, 자외선은 가시광선보다 파장이 짧고 에너지가 높습니다. 형광 물질이 자외선의 높은 에너지를 흡수한 뒤 일부를 열 등으로 잃기 때문에, 다시 방출되는 빛은 상대적으로 에너지가 낮은 가시광선 영역에 나타날 수 있습니다. 이를 스토크스 이동이라고 합니다. 그래서 일반적인 조명 아래에서는 지폐에 있는 형광 물질이 강하게 빛나지 않지만, 자외선 램프를 비추면 특정 부분이 갑자기 밝은 색으로 빛나는 것처럼 보입니다. 이 원리를 위조 방지에 이용하면 일반적인 인쇄 방식으로는 쉽게 재현하기 어려운 형광 잉크의 위치나 색상, 패턴을 만들 수 있습니다. 따라서 자외선을 비추었을 때 정해진 위치에서 정확한 형광 패턴이 나타나는지를 확인하여 지폐의 진위 여부를 판단하는 데 활용할 수 있습니다. 감사합니다.