[실험설계] PL Spectrum을 이용한 PLQY 분석 용어 정리, 원리, 이론 총정리

문서 내 토픽

1. 형광 (Fluorescence)과 인광(Phosphorescence)

유기물질이 빛을 흡수하면 이를 구성하는 물질의 전자는 들뜬 상태가 된다. 전자는 에너지를 받으면 들뜬 상태가 되었다가 에너지를 방출하면 바닥 상태로 되돌아가게 되는데, 이때 전자가 방출한 에너지는 빛으로 방출된다. 형광은 유기물질이 빛을 받은 후 같은 전자스핀 상태에서 S1 상태로 빠르게 전이를 하며 그 후 다시 원래의 기저상태로 돌아가면서 발광을 하는 것이다. 한편 유기물질에서 빛을 받은 후 전자의 궤도가 바뀌게 되므로 스핀이 바뀌어지는 것이 더 안정한 상태가 되는데, 이를 인광이라고 한다.
2. Quantum Yield

광화학 반응에서 반응 분자가 흡수한 광자 수에 대하여 일어난 변화수의 비율을 나타낸다. 흡수된 광자 수는 광량계를 사용해서 결정할 수 있고, 광화학 과정에서의 변화수란 반응한 분자의 수 또는 생성된 생성물의 수이며, 광 물리 과정에서는 S1 또는 T1으로부터 방출되는 형광 또는 인광의 광자 수를 의미한다.
3. Frank-Codon Theory

광 흡수 과정은 결합의 진동 운동보다 훨씬 빠르기 때문에 광 흡수가 진행되는 동안 결합의 길이는 변하지 않는다. 즉, 광흡수 과정에서 분자 구조의 변화가 일어나지 않는다는 것이며 따라서 광흡수 직후에 이루어진 들뜬 상태는 바닥상태의 분자구조를 유지하게 된다.
4. 실험방법

1) 시료 제작: 준비된 시료와 이를 녹일 수 있는 용매를 준비하여 약 10^-3M 단위의 농도로 용액을 준비한다. Quartz plate 위에 용액을 drop하여 용매를 날린다. 2) 측정 방법: 전원을 켜 램프를 안정화시킨 후 프로그램을 실행하여 모드를 선택한다. 질소를 연결하여 직분구 내부를 질소 분위기로 만든다. 측정하고자 하는 파장 영역대를 설정하고 Reference를 위치시킨 후 측정한다. 3) Spectrum 측정: 측정된 스펙트럼 데이터를 파장-흡광도로 그래프를 그려 max peak에 해당되는 파장을 구한다.

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1. 형광 (Fluorescence)과 인광(Phosphorescence)

형광과 인광은 모두 전자가 들뜬 상태에서 기저 상태로 떨어질 때 발생하는 현상이지만, 그 메커니즘과 특성이 다릅니다. 형광은 들뜬 상태의 전자가 즉시 기저 상태로 떨어지면서 빛을 방출하는 과정이며, 인광은 들뜬 상태의 전자가 먼저 준안정 상태를 거쳐 기저 상태로 떨어지면서 느리게 빛을 방출하는 과정입니다. 형광은 일반적으로 수나노초 내에 일어나는 반면, 인광은 수밀리초에서 수초 사이에 일어납니다. 또한 형광은 들뜬 상태의 전자가 바로 기저 상태로 떨어지므로 방출되는 빛의 파장이 들뜬 상태의 에너지 준위와 일치하지만, 인광은 준안정 상태를 거치므로 방출되는 빛의 파장이 들뜬 상태의 에너지 준위보다 더 긴 편입니다. 이러한 차이점들은 형광과 인광을 구분하는 데 중요한 역할을 합니다.
2. Quantum Yield

Quantum Yield는 들뜬 상태의 분자가 방출하는 광자 수와 흡수한 광자 수의 비율을 나타내는 지표입니다. 이는 형광 및 인광 현상에서 매우 중요한 개념이며, 형광 및 인광 물질의 효율을 평가하는 데 사용됩니다. 양자 수율이 높을수록 들뜬 상태의 분자가 더 많은 광자를 방출하므로, 해당 물질의 발광 효율이 높다고 볼 수 있습니다. 양자 수율은 0에서 1 사이의 값을 가지며, 1에 가까울수록 이상적인 발광 효율을 나타냅니다. 양자 수율은 분자 구조, 용매 효과, 온도 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로, 이를 최적화하는 것이 중요한 연구 과제 중 하나입니다.
3. Frank-Codon Theory

Frank-Condon 이론은 전자 전이 과정에서 핵의 운동이 전자 운동보다 훨씬 느리다는 가정에 기반한 이론입니다. 이 이론에 따르면, 전자 전이가 일어날 때 핵의 위치와 운동량은 변화하지 않고 유지된다고 설명합니다. 이를 통해 전자 전이 과정에서 관찰되는 진동 구조와 스펙트럼 패턴을 설명할 수 있습니다. Frank-Condon 이론은 형광 및 인광 현상, 흡수 및 방출 스펙트럼 분석, 화학 반응 동역학 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 특히 분자 내 전하 이동, 엑시톤 생성 및 재결합 과정 등을 이해하는 데 필수적인 이론적 기반을 제공합니다.
4. 실험방법

형광 및 인광 현상을 연구하기 위한 다양한 실험 방법이 존재합니다. 가장 기본적인 방법은 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 형광/인광 방출 스펙트럼을 측정하는 것입니다. 이를 통해 분자의 전자 전이 과정과 들뜬 상태의 에너지 준위를 확인할 수 있습니다. 또한 시간 분해 형광/인광 측정을 통해 들뜬 상태의 수명을 분석할 수 있습니다. 이 외에도 양자 수율 측정, 온도 의존성 분석, 용매 효과 연구 등 다양한 실험 기법을 활용할 수 있습니다. 이러한 실험 방법들은 형광 및 인광 현상의 메커니즘을 이해하고, 새로운 발광 물질을 개발하는 데 필수적입니다. 실험 설계와 데이터 분석 기술의 발전에 따라 형광 및 인광 연구 분야에서도 지속적인 진보가 이루어질 것으로 기대됩니다.