재료의 광학적 성질 : 빛 ⇔ 재료 빛 : 때로는 전자기파, 때로는 입자(photon)처럼 거동

전자기파 (Electromagnetic wave) E = Eo exp{i(kx – ωt)} B = Bo exp{i(kx – ωt)} k = 2π / λ ω = 2πf

파장 및 주파수에 따른 전자기파의 분류

빛과 재료와의 상호작용

• Transmitted light distorts electron clouds. (전자분극) 빛의 굴절 (Refraction) • Transmitted light distorts electron clouds. (전자분극) + no transmitted light electron cloud distorts • Light is slower in a material vs vacuum. (굴절현상) refractive index (n) C = 1/√ εoμo V = 1/√ εμ = 1/√εrεoμrμo ∴ n = 1/√ εr for nonmagnetic materials (μr = 1)

전자분극률은 원자반경의 3승에 비례하므로 원자반경이 큰 이온 (Pb, Ba)을 첨가하면 굴절율이 증가한다. 여러 재료의 굴절률

스넬 (Snell)의 법칙과 전반사 (total reflection) n > n’ n’(low) n (high)

Absorption Processes

금속의 광학적 성질 ∆E = h required! 빛의 흡수 : 페르미준위 위에 연속적인 빈 에너지준위를 갖는 밴드구조를 가지므로 낮은 에너지(즉 낮은 주파수)의 광자부터 흡수할 수 있으며 가시광 영역의 광자들은 재료표면에서 모두 흡수된다. 빛의 반사 : 표면에서 빛의 흡수과정에서 여기된 전자들은 낮은 에너지준위로 돌아가면서 빛의 형태로 에너지를 방출하므로써 반사광을 형성한다. 금속의 반사율은 파장에 따라 0.90 ~ 0.95 정도이며 대부분의 금속은 모든 파장의 가시광에 대하여 높은 반사율을 가지므로 인해 백색(은색) 반사광을 나타내지만 금, 구리는 단파장(청색, 녹색)은 강하게 흡수하고 장파장(적색, 황색)을 강하게 반사하여 반사광이 특정한 색을 띠게 된다.

빛의 흡수계수(absorbtion coefficient)

I o 반도체와 절연체의 광학적 성질 전도대 가전자대 Energy of electron 자색광: h = 3.1 eV incident photon energy hn 빛의 흡수 : 가전자대와 전도대 사이에 금지대를 갖는 밴드구조를 가지므로 금지대폭 (Eg) 이상의 에너지를 갖는 광자만을 흡수할 수 있다. If Eg < 1.8 eV, full absorption; color is black (Si, GaAs) If Eg > 3.1 eV, no absorption; colorless (diamond) If Eg in between, partial absorption; material has a color.

직접재결합 (direct recombination)

간접재결합 (indirect recombination)

반사율 (Reflectivity) Example: Diamond

투과도 (Transmittance)

• Color determined by sum of frequencies of 투명한 재료의 색 • Color determined by sum of frequencies of -- transmitted light, -- re-emitted light from electron transitions. • Ex: Cadmium Sulfide (CdS) -- Egap = 2.4 eV, -- absorbs higher energy visible light (blue, violet), -- Red/yellow/orange is transmitted and gives it color. • Ex: Ruby = Sapphire (Al2O3) + (0.5 to 2) at% Cr2O3 -- Sapphire is colorless (i.e., Egap > 3.1eV) -- adding Cr2O3 : • alters the band gap • blue light is absorbed • yellow/green is absorbed • red is transmitted • Result: Ruby is deep red in color. Adapted from Fig. 21.9, Callister 7e. (Fig. 21.9 adapted from "The Optical Properties of Materials" by A. Javan, Scientific American, 1967.) 40 60 70 80 50 0.3 0.5 0.7 0.9 Transmittance (%) ruby sapphire wavelength, l (= c/)(m)

색중심 (Color Center) : 절연체물질은 무색투명하지만 밴드갭내에 재결합 센터를 형성하여 특정한 파장의 빛을 재방출하므로써 절연체물질이 색을 띠도록 하는 불순물 예) pure Al2O3 single crystal → colorless ; sapphire Cr in Al2O3 single crystal → red ; ruby Fe in Al2O3 single crystal → blue ; blue sapphire Cl in Al2O3 single crystal → green ; emerald Transition elements in glass ; Co2+ → blue Mn2+ → yellow Mn3+ → purple Ni2+ → grey Cu+ → green

절연체의 불투명과 반투명 현상 절연체는 투명하지만 표면 및 내부에서의 산란 (scattering)으로 인해 불투명 또는 반투명하게 된다. 표면에서의 산란은 주로 표면의 요철에 의해 굴절된 빛의 진행방향이 흐트러짐으로써 발생한다. 내부에서의 산란은 다양한 원인에 기인하지만 근본적으로 굴절률이 다른 상의 계면에서 발생하는 반사 및 이러한 계면을 반복적으로 빛이 진행하는 과정에서 발생하는 빛의 분산에 의하여 발생한다. 예) 비등방성 굴절률을 갖는 다결정 세라믹스 ; 반투명 다공성 세라믹스나 유리 ; 불투명 glass ceramics ; glass matrix와 crystallite의 굴절률 차이 및 crystallite 의 크기에 따라 투명에서 반투명까지 다양하게 변화.