광전효과의 수학적인 정립으로 새과학의 시대를 열다.

[유토피아]

금속 등의 물질(입자)이 빛에 쪼이면 전자를 내놓는 현상. 금속 내의 전자는 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박된다. 여기에 일정 진동수 이상의 빛을 비추었을 때 광자가 전자와 충돌하게 된다. 즉 광자와 충돌한 전자가 금속으로부터 튀어나오는 현상이라고 할 수 있다. 빛이 전자기파 그 자체라는 고전물리학의 패러다임으로는 설명할 수 없었던 현상이며 알베르트 아인슈타인이 광양자설을 통해 빛의 입자성을 제시하면서 마침내 규명되었다. 그는 빛이란 하나하나가 진동수에 비례한 에너지를 지닌 입자의 집합이라고 보았는데 광전효과 실험을 완벽하게 설명했다.

광전효과의 존재 자체는 1887년 하인리히 루돌프 헤르츠의 음극선 실험 도중 발견되었으나 당시에 전자기학에서는 이미 빛이 파동이라는 결론이 나온 상태여서 이해할 수 없는 현상이었다. 그로부터 10년뒤인 1897년에 필립 레오나르도의 음극선 실험에 의해서 정확하게 관측이 되었고, 러시아의 스톨레토프가 광전효과를 이용한 논문을 써내면서 광전효과의 1법칙을 정립해내게 되고 현대물리의 핵심적인 문제로 부상하게 된다. 그리고 1905년에 이르러 아인슈타인은 프랑크의 양자가설을 바탕으로 광전효과를 설명하는데 성공한다.

흔히 아인슈타인의 최대 업적은 상대성 이론이라 하나 광전효과를 설명한 광양자설 또한 만만치 않게 거대한 업적으로 평가 받는다. 광양자설을 다른 물리학자가 세웠으면 그걸 제1업적으로 해서 지금까지 이름을 남기고 있었어도 이상하지 않을 정도다. 고전물리학을 뒤집은 일대의 센세이션이었을 뿐만 아니라 현대 물리학의 주요한 테마인 양자역학의 시초이기도 하다. 광전효과의 규명은 기존에 주류를 차지하고 있던 빛의 파동성을 반박하였고 사장되다 시피했던 입자설을 복권하였다. 이는 최종적으로 빛의 이중성을 인정받는 계기가 되었는데, 훗날 여기에 영향을 받은 드 브로이는 광자 뿐 아니라 다른 물질(입자) 또한 파동성을 동시에 지닐 수 있다는 물질파 이론을 내놓는다.

아인슈타인은 광양자설과 이론물리학에 기여한 업적으로 1921 노벨물리학상을 수상한다.[1]

이론으로만 보면 낯설게 느껴지겠지만 실생활에서 사용되는 첨단 장비 중에는 이 이론에 기반한 기술을 쓰는 것들이 제법 있다. 태양전지도 광전효과를 응용한 기술이며 촬영장비 중에도 이것을 응용한 기기가 있다.[2]

광전효과는 "금속에 속박(구속)된 전자가 빛에 쪼이면 방출되는 현상"이다. 이때 빛에 쪼이고 방출된 전자를 '광전자'라고 한다. 이때 빛은 연속적인 파동이 아닌 알갱이의 형태인 양자로 보며 빛의 양자를 '광양자'라고 한다. (지금은 '광자'라고 한다.) 이때 광자가 가지는 에너지는 다음과 같이 기술 된다.

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">E</span>}$E = $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">h</span>}$h$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">f</span>}$f

이때 $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">E</span>}$E 는 빛의 에너지, $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">h</span>}$h는 플랑크 상수, $\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">f</span>}$f 는 빛의 진동수 이다.

또한, 모든 금속은 자신만의 고유한 일함수($\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">W</span>}$W)와 한계진동수 (문턱진동수) ($\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">f</span>}$f)를 가지는데, 일함수와 문턱진동수는 아래와 같다.

일함수 : 금속에 속박된 전자가 방출되기에 요해지는 최소 에너지
문턱 진동수 : 금속에 속박된 전자가 방출되기에 요해지는 빛의 최소진동수

빛을 쬐여 속박되있던 전자가 방출될때 전자의 에너지는 빛의 에너지에서 금속의 일함수를 감한 값이 되며 이때의 광전자의 에너지는 아래와 같이 기술되어 진다.

$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">E</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">k</span>}$Ek=$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">E</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">l</span>}$El-$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">W</span>}$W=$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">h</span>}$h$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">f</span>}$f-$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">W</span>}$W=${\displaystyle \frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">2</span>}}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">m</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">v</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14pt;">2</span>}}}$\displaystyle \frac{1}{2} m v^2

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광전효과는 식으로 볼 때는 하나지만 엄밀히 분류하면 몇가지의 현상으로 분류 할 수 있다.

• 광이온화 : 알파선, 감마선 등과 같은 비교적 파장이 짧은 빛을 쪼였을 경우 기체분자의 원자가 전자를 내놓으면서 이온화 하는 현상. 이걸 이용한 저온 플라즈마 발생법이 연구중에 있다.

• 외부광전효과 : 가장 주요한 광전효과. 위에서 말한 초기 광전효과의 실험에서의 관측은 거의 이 영역에서 이루어졌다.

한계진동수보다 큰 진동수의 빛은 빛의 세기에 따라서 전자를 토해내는데 일견 위에서 진동수에 의해서 세기가 정해진다는 말과 모순처럼 보일 수 있다. 하지만 이는 에너지와 전자의 양을 혼동했을 때 나올 수 있는 오류로 전자입자 하나하나가 가진 에너지의 양은 초기 빛의 진동수에 의해서 결정이 된다. 하지만 이 튀어나오는 전체 전자의 개수는 빛의 세기에 의해서 결정이 되는 것이다.

이 외부광전효과에 의해서 빛의 이중성이 입증이 되었다고 할 수 있으며 플랑크의 흑체복사에 대한 연구와 합쳐져서 양자역학이 만들어지게 된다.

현재는 광전관에 쓰이고 있다.

• 내부광전효과 : 반도체 등에 빛을 쪼이면 반도체에 포함된 불순물의 전자가 자유가전자가 되면서 양공(+홀)을 만들어내며 전도도가 상승하는 현상. 이 효과는 다시 자유가 전자와 +홀에 의해서 전도도가 상승하는 1차 내부광전효과와 이 바뀐 전자와 +홀에 의해서 반도체 구조 자체가 변화하는 2차 내부광전효과로 나뉘어진다.

현재에는 브라운관과 의료용 촬영장치를 만드는데 응용된다.

• 광기전력 효과 : 반도체 전체가 아닌 일부분에만 빛을 쪼였을 때 쪼인곳과 아닌 곳에서 전위차를 발생시키는 효과. 내부광전효과는 일부에만 쬐여도 자유가 전자들이 퍼져나가며 반도체 전체에 같은 효과를 낳는 효과가 있지만 이 광기전력 효과에 사용되는 특수한 반도체는 전체로 현상이 대전되지 않고 딱 그 일부분에만 국한된다.

태양전지와 측광장치, 센서 등에 활용된다.

 광합성

식물의 엽록체에서 빛을 쬐면 광전효과가 일어나 광합성이 일어난다

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광전 효과의 이용

좁은 의미에서 광전 효과라고 하면 금속 표면에 자외선이나 X선을 비추었을 때 전자가 방출되는 현상을 일컫는다.

그러나 넓은 의미에서는 빛에 의해 전자가 발생되는 현상을 모두 광전 효과라고 한다.

우리 생활에서 광전 효과가 어떻게 이용되는지 알아보자.

광다이오드

광통신이나 리모컨, 광센서 등에 사용되는 광다이오드(photo diode)는 광전 효과를 응용한 장치이다. 광다이오드와 같은 고체는 원자가 무수히 많기 때문에 에너지 준위가 가능한 범위에서 연속적으로 분포한다. 이와 같이 연속적으로 분포하는 에너지 준위 영역을 에너지띠라고 한다. 에너지띠는 낮은 에너지를 갖는 원자가띠와 높은 에너지를 갖는 전도띠가 띠틈으로 구별되어 있다. 그림 Ⅳ-11과 같이 (+)전하를 가진 p형의 반도체와 (-)전하를 가진 n형의 반도체를 접합한 p-n 접합 다이오드의 접합부에 빛을 비추면 광전 효과에 의하여 전자가 전도띠로 들뜨고 원자가띠에는 양공이 생긴다. 이때 p-n 접합의 특성 때문에 전자는 n형 반도체 쪽으로 움직이고, 양공은 p형 반도체 쪽으로 움직여서 전류가 발생하게 된다. 이러한 전류를 측정하면 빛의 유무나 빛의 세기를 알 수 있다.

그림 Ⅳ-11 p-n 접합 다이오드

*광다이오드: 광센서의 하나로 p-n 접합 구조로 되어 있다.

복사기와 레이저 프린터

우리 주위에서 많이 찾아볼 수 있는 복사기나 레이저 프린터도 광전 효과를 이용한 장치이다.
복사할 문서의 표면에 빛을 비추면 글자나 그림이 없는 흰 부분에서 빛이 반사되어 복사기의 드럼에 빛이 도달한다. 레이저 프린터는 컴퓨터 신호에 의하여 레이저 빛이 발생하여 프린터의 드럼에 빛이 도달한다. 복사기나 레이저 프린터의 드럼은 반도체 물질을 코팅한 알루미늄 원통으로 되어 있으며, 평상시에 (+)전하로 대전되어 있다.

그림 Ⅳ-12 레이저 프린터

그림 Ⅳ-13과 같이 복사기의 드럼에 코팅된 반도체 물질에 빛이 도달하면 빛이 도달한 부분은 광전 효과에 의하여 전자가 발생되어 전류가 흐른다. 이 전류에 의하여 드럼에 빛이 비추어진 부분은 대전되어 있던 (+)전하가 사라지게 되며, 빛이 비추어지지 않은 부분만 (+)전하로 대전된 상태가 유지된다. 이렇게 빛이 비추어진 드럼에 토너를 얇게 뿌리면 드럼에 빛이 비추어지지 않은 부분에만 (-)전하로 대전되어 있는 토너들이 달라붙는다. 토너가 달라붙어 있는 드럼에 종이를 밀착시키면 토너들이 종이에 붙게 된다. 토너가 붙어 있는 종이에 열을 가하면 토너에 있는 접착제 성분이 녹아 토너가 종이에 붙어 복사나 인쇄가 되는 것이다.

그림 Ⅳ-13 복사기의 원리

반도체 광다이오드의 종류

*PIN 광다이오드(PIN-PD): 가장 많이 사용되는 광다이오드로, 안정적이다.
*Avalanche 광다이오드 (전자 사태 광다이오드, APD): 증폭 기능이 있어 고속 장거리 광통신에 이용된다.

광 트랜지스터

광 트랜지스터는 광다이오드와 접합형 트랜지스터가 결합된 형태이다.

 베이스-컬렉터 접합부에 들어온 광자에 의해 발생한 전류가 트랜지스터 동작에 의하여 증폭되므로 빛에 민감하지만, 광다이오드보다 반응 속도는 느리다.