[실험설계] UV VIS 흡수도, 투과도, Haze 측정 용어 정리, 원리, 이론 총정리

문서 내 토픽

• 1. HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)

  분자의 오비탈 다이어그램을 그리면, 전자는 낮은 에너지 준위부터 채우게 된다. 이때 전자가 찬 오비탈 중에서 에너지 준위가 가장 높은 오비탈을 말하며, 분자 내부에 속박되지만 가장 에너지가 작고 전자가 가장 움직이기 쉬운 곳을 HOMO라고 부른다. 이것은 최고 점유분자 궤도라는 의미를 나타내며, 반도체의 가전자대 (Valence band)에 해당한다.

• 2. LUMO (Lowest Unopccupied Molecular Orbital)

  전자가 채워지지 않은 오비탈 중에서 에너지 준위가 가장 낮은 오비탈을 말하며, 이 에너지 준위에 먼저 전자가 들어간다. 이것은 반도체의 전도대(conductio band)에 해당한다.

• 3. Band-gap

  유기물 반도체에서 Band-gap은 HOMO와 LUMO의 에너지 차이에 해당되며 전자가 존재할 수 없는 영역이다. Band-gap 특성은 물질의 광학적 및 전기적 물성의 차이점을 이용하여 반도체 소자제작 등에서 널리 사용되고 있다. 통상적으로 eV. nm으로 표한한다.

• 4. Ultra violet- Visible (UV-Vis) 흡수

  Ultra violet (UV)는 보통 200~400nm의 파장을 갖는 빛을 말하며, Visible light(Vis)는 400~800nm의 정도의 파장을 갖는 가시광선을 뜻한다. 이 범위의 광선에 의해 어떤 물질의 전자 전이가 일어나는 것은 그 빛이 갖는 파장에 대응하는 에너지를 흡수한 것이다. 따라서 흡수하는 파장으로부터 물질에 대한 정성적인 정보와 그 흡수 정도에 따라 정량적인 정보를 알 수 있따. 물질에 전자기 에너지가 조사될 때 복사선들은 복사선의 에너지에 따라 화합물에 의해 흡수되거나 통과하게 된다.

• 5. 투과도 (Transmittance, T)

  EX) %T = 30% 인 경우, 70%의 빛이 시료를 통과하지 못함. %T = 100% 인 경우, 시료에 의해 빛이 전혀 흡수되지 않고 통과 %T = 0% 인 경우, 시료에 의해 빛이 전혀 통과하지 못함.

• 6. Beear-Lambert Law

  분자가 빛을 흡수하는 효율을 정량적을 알아낼 수 있는 법칙Transmittance(투과도)와 Absorbance(흡광도)T = I / I0A = -log T = K * c흡광도는,1) 시료의 농도와 일정한 상관관계를 가짐 (c)2) Quartz cell의 직경 또는 폭에 영향을 받음 (L)3) 물질 고유의 특성에 의해 달라짐 (몰흡광계수, molar absorptivity)A : absorbance, OD, 흡광도c : molar concentration, 시료의 농도(M)L : light path length, Quartz cell의 폭(cm)molar absorption coefficient, 몰 흡광계수

• 7. Haze

  빛이 투명한 material 내부를 통과할 때 material 종류에 따라서 반사나 흡수 외에 material 고유 성질에 따라 광선이 확산되어 불투명한 흐림상 외관을 나타내는 현상을 Haze라고 한다.Haze는 투명한 것에 입사한 광선이 diffuse되는 정도로 정의되는데 ± 2.5* aperture 이상의 산란된 빛의 분율로 정의된다.Haze (%) = Is / (Is + Ir) * 100여기서 Is = 2.5* 이상에서 투과된 빛의 세기 (= 확산 투과율 광) Ir = 2.5* 내에서 투과된 빛의 세기 (=평행 투과율 광)

• 8. Haze 측정원리

  Light source에서 나온 Collimated beam이 Sample을 투과하여 적분구내로 입사한다. 이 빛은 Sample 에 따라 확산광과 평행광으로 분리되고, 모든 빛은 적분구내에서 반사되어 Spectrometer내의 Detector or 적분구에 부착된 Photodiode detector에 집광되어 측정 Data값으로 Display된다.

• 9. 실험방법

  1) 시료제작 1) 준비된 시료와 이를 녹일 수 있는 용매를 준비한다. 2) 시료를 용매에 녹여 약 ~ 10^{-4}M 단위의 농도로 맞춘 용액을 준비한다.(2)측정 방법1) 측정 장비와 연결된 PC를 먼저 켠 후, 기기의 전원을 켠다2) UV-vis 램프가 안정화되도록 10분 이상 예열을 실시한 후 프로그램을 실행한다.3) 기기에 reference Quartz cell과 측정하고자 하는 Quartz cell을 고정시킨다.4) reference를 먼저 측정하여 Black으로 설정한 후, sample을 측정하여 용액에서 용매에 의한 흡수를 제거하고 순수한 용질의 흡수 피크를 측정한다.5)측정 중 용매가 증발하여 시료의 농도가 변하지 않도록 cap을 씌운 후 측정한다.(3) Band-gap 측정 1) 측정된 흡수 스펙트럼 데이터를 파장-흡광도로 그래프를 plot한다.2) 그려진 그래프에서 가장 장파장의 피크에서 ㄸ?ㄹ어지는 구간에 접선을 그어 파장을 구한다.3) E=h*v의 식으로부터 에너지 Band-gap을 구한다.

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• 1. HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)

  HOMO는 분자 내에서 가장 높은 에너지 준위의 전자 궤도를 의미합니다. 이 HOMO 준위의 전자들은 화학 반응에서 가장 먼저 참여하게 되며, 분자의 반응성과 안정성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. HOMO 준위의 에너지 값은 분자의 산화 환원 전위와 관련이 있으며, 이는 전자 전달 과정에서 중요한 요소가 됩니다. 따라서 HOMO 준위에 대한 이해는 분자의 화학적 특성을 이해하는 데 필수적입니다.

• 2. LUMO (Lowest Unopccupied Molecular Orbital)

  LUMO는 분자 내에서 가장 낮은 에너지 준위의 비점유 분자 궤도를 의미합니다. LUMO 준위는 분자가 전자를 받아들일 수 있는 능력을 나타내며, 이는 분자의 환원 반응성과 관련이 있습니다. LUMO 준위의 에너지 값은 분자의 전자 친화도와 관련이 있으며, 이는 전자 전달 과정에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 LUMO 준위에 대한 이해는 분자의 화학적 특성을 이해하는 데 필수적입니다.

• 3. Band-gap

  Band-gap은 고체 물질의 전자 구조에서 가전자대와 전도대 사이의 에너지 차이를 의미합니다. 이 Band-gap 에너지는 물질의 전기적, 광학적 특성을 결정하는 중요한 요소입니다. 좁은 Band-gap을 가진 물질은 전기 전도성이 높고, 넓은 Band-gap을 가진 물질은 절연체 특성을 나타냅니다. 또한 Band-gap 에너지는 물질의 광흡수 및 발광 특성과도 밀접한 관련이 있습니다. 따라서 Band-gap에 대한 이해는 다양한 응용 분야에서 중요한 의미를 가집니다.

• 4. Ultra violet- Visible (UV-Vis) 흡수

  UV-Vis 흡수 스펙트럼은 물질이 자외선 및 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 정도를 나타냅니다. 이 흡수 스펙트럼은 물질의 전자 구조와 밀접한 관련이 있으며, 분자의 전자 전이 과정을 반영합니다. UV-Vis 흡수 스펙트럼 분석을 통해 물질의 구조, 조성, 농도 등을 파악할 수 있으며, 이는 다양한 화학 및 생물학 분야에서 널리 활용됩니다. 또한 UV-Vis 흡수 특성은 광전자 소자, 광촉매, 태양전지 등의 개발에 중요한 정보를 제공합니다.

• 5. 투과도 (Transmittance, T)

  투과도는 물질을 통과하는 빛의 세기가 입사 빛의 세기에 비해 얼마나 감소하는지를 나타내는 척도입니다. 투과도는 물질의 광학적 특성을 이해하는 데 중요한 정보를 제공합니다. 예를 들어, 투과도가 높은 물질은 광학 소자나 창문 재료로 활용될 수 있으며, 투과도가 낮은 물질은 광차단 재료로 사용될 수 있습니다. 또한 투과도 측정을 통해 물질의 두께, 농도, 구조 등을 간접적으로 파악할 수 있습니다. 따라서 투과도 분석은 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.

• 6. Beear-Lambert Law

  Beer-Lambert 법칙은 빛이 물질을 통과할 때 흡수되는 정도와 물질의 농도, 두께 사이의 관계를 설명하는 기본적인 광학 법칙입니다. 이 법칙에 따르면 물질의 흡광도는 물질의 농도와 두께에 비례합니다. Beer-Lambert 법칙은 UV-Vis 흡수 스펙트럼 분석, 분광 광도계 측정 등 다양한 광학 분석 기법의 기반이 되며, 정량적인 분석을 가능하게 합니다. 따라서 이 법칙에 대한 이해는 물질의 광학적 특성을 해석하고 응용하는 데 필수적입니다.

• 7. Haze

  Haze는 투명한 물질에서 관찰되는 불투명한 정도를 나타내는 지표입니다. Haze가 높다는 것은 입사 광선이 산란되어 투과되는 정도가 크다는 것을 의미합니다. Haze는 물질의 표면 거칠기, 내부 구조, 불순물 등에 의해 영향을 받습니다. Haze 측정은 광학 필름, 코팅, 유리 등의 품질 관리에 활용되며, 투명성과 광학적 성능을 평가하는 데 중요한 지표가 됩니다. 따라서 Haze에 대한 이해와 측정은 다양한 광학 소재 및 제품 개발에 필수적입니다.

• 8. Haze 측정원리

  Haze 측정은 일반적으로 투과 및 산란 광 측정 방식을 사용합니다. 입사 광선이 시료를 통과할 때 산란되는 정도를 측정하여 Haze 값을 계산합니다. 이때 시료의 표면 상태, 내부 구조, 불균일성 등이 Haze 값에 영향을 미칩니다. Haze 측정 장비는 입사 광선의 각도, 검출기 위치 등을 조절하여 다양한 산란 특성을 측정할 수 있습니다. 이를 통해 물질의 광학적 성능을 정량적으로 평가할 수 있으며, 제품 개발 및 품질 관리에 활용됩니다. Haze 측정 기술은 투명성이 중요한 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.

• 9. 실험방법

  실험 방법은 연구 목적과 대상에 따라 다양하게 설계될 수 있습니다. 일반적으로 실험 절차는 다음과 같은 단계로 구성됩니다. 첫째, 연구 목적과 가설을 명확히 설정합니다. 둘째, 실험 대상 물질 및 조건을 선정하고 실험 장비와 방법을 준비합니다. 셋째, 실험을 수행하고 데이터를 수집합니다. 넷째, 수집된 데이터를 분석하고 결과를 해석합니다. 다섯째, 결과를 바탕으로 결론을 도출하고 보고서를 작성합니다. 이 과정에서 실험 설계, 데이터 분석, 결과 해석 등의 기술이 중요합니다. 실험 방법의 체계적인 수립과 적용은 연구의 신뢰성과 타당성을 확보하는 데 필수적입니다.