박막 자체는 입사광을 선택적으로 반사하거나 흡수하며, 그 색상은 박막의 광학적 특성에 의해 결정됩니다. 박막의 색상은 반사광에 의해 발생하므로, 두 가지 측면을 고려해야 합니다. 하나는 가시광선 스펙트럼에 대한 불투명 박막 재료의 흡수 특성에 의해 발생하는 고유 색상이고, 다른 하나는 투명하거나 약간 흡수하는 박막 재료의 다중 반사에 의해 발생하는 간섭 색상입니다.
1. 고유 색상
불투명 박막 재료의 가시광선 흡수 특성은 고유 색상을 나타내는 원인이 되며, 가장 중요한 과정은 전자가 흡수한 광자 에너지의 전이입니다. 전도성 물질의 경우, 전자는 부분적으로 채워진 원자가띠에서 광자 에너지를 흡수하여 페르미 준위 위의 비어 있는 고에너지 상태로 전이하는데, 이를 밴드 내 전이(in band transition)라고 합니다. 반도체 또는 절연체 물질의 경우, 원자가띠와 전도띠 사이에 에너지 갭이 존재합니다. 흡수된 에너지가 에너지 갭의 폭보다 큰 전자만이 갭을 넘어 원자가띠에서 전도띠로 전이할 수 있는데, 이를 밴드 간 전이(interband transition)라고 합니다. 어떤 종류의 전이이든, 반사광과 흡수광 사이의 불일치가 발생하여 물질이 고유 색상을 나타내게 됩니다. 밴드 갭 폭이 가시광선-자외선 영역보다 큰 물질, 예를 들어 3.5eV보다 큰 물질은 사람의 눈에 투명합니다. 밴드갭이 좁은 물질은 가시광선 영역의 적외선 한계보다 밴드갭 폭이 작으며, 1.7eV 미만이면 검은색으로 나타납니다. 중간 정도의 밴드갭을 가진 물질은 특유의 색을 나타낼 수 있습니다. 도핑은 넓은 에너지 밴드갭을 가진 물질에서 밴드 간 전이를 유발할 수 있습니다. 도핑 원소는 에너지 밴드갭 사이에 새로운 에너지 준위를 생성하여 두 개의 작은 에너지 구간으로 나눕니다. 낮은 에너지를 흡수한 전자들도 이러한 전이를 겪을 수 있으며, 그 결과 원래 투명했던 물질이 색을 띠게 됩니다.
1.간섭색
투명하거나 약간의 흡수성을 가진 박막 재료는 빛의 다중 반사로 인해 간섭색을 나타냅니다. 간섭이란 파동의 중첩 후에 발생하는 진폭의 변화입니다. 예를 들어, 물 표면에 기름막이 있으면 기름막이 무지개 빛깔을 띠는 것을 볼 수 있는데, 이는 전형적인 막 간섭 현상입니다. 금속 기판 위에 투명한 산화막을 얇게 증착하면 간섭을 통해 다양한 새로운 색상을 얻을 수 있습니다. 대기에서 나온 단일 파장의 빛이 투명한 막 표면에 입사하면, 빛의 일부는 박막 표면에서 반사되어 대기로 직접 되돌아갑니다. 나머지 부분은 투명한 막을 통과하면서 굴절되고 막과 기판의 계면에서 반사됩니다. 그런 다음 투명한 막을 계속 통과하고 막과 대기 사이의 계면에서 다시 굴절되어 대기로 되돌아갑니다. 이 두 경로의 차이로 인해 광경로가 달라지고 간섭이 중첩됩니다.
게시 시간: 2023년 6월 30일