분광센서란?
분광센서는 물질에 빛을 조사하여 그 빛의 반사, 산란, 흡수를 측정하여 분자의 정보를 얻는 분광분석장치의 일종입니다.
분광기와 거의 동일하며, 검출기 일체형인 것이 일반적입니다. 분광센서는 사용하는 빛의 파장 범위와 원리의 차이에 따라 구분되며, 다양한 종류가 있습니다. 분광센서를 이용하여 측정 대상의 색 측정, 막 두께 측정, 화학물질의 식별 등을 모니터링 할 수 있습니다. 최근에는 소형, 고성능의 분광센서가 개발되어 간편하게 실시간 분석이 가능해졌습니다.
분광센서의 사용 용도
분광센서는 종류가 다양하고 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 반도체를 비롯한 산업 분야, 의약품 등 의료용, 식품 및 수질 분석 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
예를 들어, 식품 분야에서는 비접촉식으로 식품을 손상시키지 않고 측정할 수 있는 근적외선 분광센서가 활용되고 있습니다. 농작물의 식미 분석을 비파괴적으로 할 수 있으며, 토마토에 함유된 리코펜의 양, 채소에 함유된 엽록소의 양, 돼지고기에 함유된 지방의 양 등을 실시간으로 측정할 수 있습니다. 측정 결과를 바로 알 수 있기 때문에 생산관리나 품질관리에 근적외선 분광센서가 효과적입니다.
분광센서의 원리
그림 1. 분광센서의 구조
분광센서는 빛을 물질에 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 검출함으로써 물질이 흡수한 빛의 양을 측정합니다. 물질이 흡수하는 빛은 물질의 조성이나 구조에 따라 달라지기 때문에 분광센서를 이용하여 물질의 조성을 예상할 수 있습니다.
분광센서는 크게 광원, 분광부, 시료부, 검출기로 구성되어 있습니다. 광원에서 발생한 빛을 분광부에서 특정 파장의 빛으로 조절하여 시료에 조사합니다. 이 때, 조사광의 파장을 하나에 집중하는 경우 모노크로미터, 여러 개를 사용하는 경우 폴리크로미터라고 합니다. 전자는 측정 파장을 스캔하기 때문에 측정에 시간이 오래 걸리지만 정확도가 높습니다. 후자는 단시간에 측정할 수 있지만 신호 강도가 약하고 정확도가 떨어집니다.
시료에 조사되어 반사 또는 투과된 빛은 검출기로 유도되어 그 강도를 측정합니다. 검출기는 측정 파장에 따라 달라지는데, 180nm~1,100nm의 자외선~근적외선 범위에서는 CCD 검출기, 900~1,700nm의 근적외선에서는 InGaAs형, 1700~2,500nm의 근적외선에서는 확장형 InGaAs형이 사용됩니다.
분광 센서의 종류
그림 2. 빛의 종류
분광센서는 측정에 사용하는 파장에 따라 구분됩니다. 각각 특징이 있기 때문에 목적에 맞게 선택해야 합니다. 빛의 종류는 여러 가지가 있으며, 각각을 이용한 측정 장치가 있지만, 일반적으로 자외선-가시광, 근적외선, 중적외선, 원적외선이 분광 센서에 사용됩니다.
1. 자외선 및 가시광선
측정하고자 하는 시료에 자외선 및 가시광선을 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 측정합니다. 대상 물체가 적색, 청색, 녹색의 세 가지 색을 어느 정도 흡수하는지에 대한 정보를 통해 물체의 색을 결정합니다. 물질의 색을 감지하는 컬러 센서로 제품의 색상 관리, 불량품 및 불순물 검출에 활용되고 있습니다.
2. 근적외선 분광법
측정 대상 시료에 근적외선을 조사하여 투과 또는 반사된 근적외선을 측정합니다. 근적외선은 거의 흡수되지 않고 물체를 투과합니다. 고체, 분말, 액체 등 다양한 상태의 시료를 분석할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 농산물이나 식품의 비파괴에 사용되며, 혈중 산소포화도를 측정하는 펄스 옥시미터, 적외선 카메라 등에도 활용되고 있습니다.
3. 중적외선 분광법
측정 대상 시료에 중적외선을 조사하여 반사된 중적외선을 측정합니다. 분자마다 고유한 흡수 패턴을 가지고 있어 물질의 식별이 가능합니다. 고체 시료의 경우 조사광이 닿는 표면 부근만 측정할 수 있기 때문에 주로 기체나 액체의 불순물을 검출하는 용도 등에 사용됩니다. 엔진오일 분석, 소변 검사 등에 활용되고 있습니다.
4. 원적외선
측정 대상에서 방출되는 원적외선을 측정합니다. 원적외선은 온도와 밀접한 관계가 있어 온도 차이를 측정할 수 있습니다. 열화상 카메라, 인감 센서 등에 활용되고 있습니다.
분광센서 기타 정보
분광센서 이외의 분광분석법
그림 3. 주요 분광분석장치
분광분석법은 물질을 투과 또는 반사된 빛의 에너지를 측정하여 입사광의 에너지와 비교함으로써 물질의 정성적, 정량적 분석을 하는 방법입니다. 분광분석법으로는 다음과 같은 방법이 대표적이며, 사용되는 파장은 감마선부터 전파까지 다양합니다.
1. 흡광 분광법
흡광분광법은 시료에 빛을 조사하여 반사 또는 투과된 빛을 측정하여 입사광의 에너지와 비교함으로써 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비는 각 파장별 흡광 분광 장치입니다.
2. 형광 분광법 (또는 발광 분광법)
형광분광법은 시료에 빛을 조사하여 시료에서 발생하는 형광(또는 발광)을 측정하고, 그 빛의 에너지로 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 형광 인광 분광법, 형광 X선 분광법(XRF) 등이 있습니다.
3. 광산란 분광법
광산란 분광법은 시료에 빛을 조사하여 산란된 빛을 측정하고, 그 빛의 에너지와 강도를 통해 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 라만 분광법, 동적광산란법(DLS), X선 소각 산란(SAXS) 등이 있습니다.
4. 자기공명분광법
자기공명분광법은 자기장 속에서 시료에 빛을 조사하여 투과된 빛을 측정하고, 흡수된 빛으로부터 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법입니다. 대표적인 분석 장비로는 핵자기공명(NMR), 전자스핀공명(ESR), 핵자기공명영상법(MRI) 등이 있습니다.
5. 광전자 분광법
광전자 분광법은 시료에 빛을 조사하여 광전 효과에 의해 방출되는 전자를 측정하여 그 에너지로 물질의 정성 및 정량 분석이 가능한 분석법으로, X선 광전자 분광법(XPS), 자외선 광전자 분광법(UPS), 오거 전자 분광법(AES) 등이 대표적입니다.