분광기란
분광기란 다양한 파장의 빛이 혼합된 합성광 중에서 측정하고자 하는 파장의 빛의 강도만을 측정하기 위해 빛의 성분을 분리하는 장치입니다.
최근에는 분리된 빛의 검출기를 일체화한 것도 많으며, 빛의 분리부터 검출 메커니즘까지를 통틀어 분광기라고 부르기도 합니다.
분광기의 사용 용도
분광기는 반사광과 투과광을 막론하고, 가시광선뿐만 아니라 전파에서 방사선에 이르기까지 다양한 파장대의 광원(선원)을 분광할 수 있기 때문에 모든 산업 및 연구 현장에서 사용됩니다.
분석화학 분야에서는 태양광이나 플라즈마 발광 강도를 측정하기 위해 사용되며, 재료의 반사율 등 광학적인 성질을 평가하는 장면에서도 사용됩니다.
또한, 레이저 등의 광원을 사용하는 제품 검사 라인에서 반사광 등 임의의 파장을 검출하는 품질 관리 라인에 의식하지 않고도 내장되어 있는 경우가 많습니다.
분광기의 원리
일반적으로 광원을 분광하기 위해서는 먼저 빛의 형상이 필요합니다.
슬릿이라는 틈새에 광원을 통과시켜 빛의 해상도를 설정한 후, 렌즈나 거울로 만든 콜리메이터를 통해 광원을 평행광화합니다.
이 평행광을 분광소자에 입사시킴으로써 분광이 가능합니다. 분광소자에는 빛의 회절 현상을 이용한 회절 격자형과 빛의 굴절 현상을 이용한 프리즘형이 있습니다.
회절격자형은 분광소자 표면에 일정한 간격으로 새겨진 회절격자에 의한 빛의 반사를 이용하여 분광하기 때문에 회절패턴을 변경하면 검출할 수 있는 빛의 파장과 해상도가 달라집니다.
회절격자형 분광기의 원리를 그림으로 설명하겠습니다.
회절격자에는 투과형과 반사형이 있는데, 그림 1은 반사형 회절격자의 개념도를 나타낸 것입니다. 다양한 파장의 빛을 포함하는 광원(백색광)의 평행광을 회절격자에 입사시키면 여러 개의 격자 즉 격자형 구조 부분(G1, G2…) 의 각 위치에서 넓은 각도 방향으로 반사광의 회절이 발생합니다. 여기서 빛의 간섭이 발생하여 각 격자에서 유래한 반사광의 광로차(dsinθ)가 소정의 조건(파장λ의 정수배)을 만족하는 각도(θ) 방향에 대해 특정 파장λ만 강화된 단색광이 입사하게 됩니다.
이렇게 회절 격자에 따라 서로 다른 파장이 서로 다른 각도로 분산(무지개 모양으로 분리)됩니다(그림 2 참조).
또한, 그림 2에 나타낸 슬릿을 이용하여 분산된 반사광 중 특정 파장의 단색광만을 추출할 수 있습니다. 이것이 회절 격자형 분광기의 원리입니다. 회절 격자를 회전시키면, 추출하는 빛의 파장을 변화시킬 수도 있습니다.
분광기의 구조
분광기 선택 방법
검출기 일체형 분광기를 사용하는 경우, 측정하는 광원의 파장에 적합한 것을 선택해야 합니다.
예를 들어, 자외선부터 근적외선까지의 범위의 광원이라면 CCD로 충분하지만, 그 이상의 장파장 광원을 검출하려면 InGaAs 타입의 검출기가 필요합니다.
또한 측정 원리에서도 언급했듯이 회절 격자형 분광기는 회절 패턴에 따라 검출할 수 있는 파장이 결정되기 때문에 원하는 파장에 적합한 것을 선택해야 합니다.
프리즘형은 프리즘의 성질에 따라 분해능이 결정되지만, 빛의 강도 손실이 없다는 특징이 있으므로 용도에 따라 구분하여 사용하는 것이 좋습니다.
분광기 사용법
분광기를 사용한 분석기기의 사용법은 일반적으로 다음과 같은 순서로 진행됩니다.
- 측정할 물질과 측정 파장대를 결정합니다.
- 측정하고자 하는 파장에 맞는 분광기를 선택합니다.
- 물질에 빛을 비추어 원하는 파장을 분광합니다.
- 원하는 빛을 센서에 넣어 신호를 감지합니다.
- 얻어진 신호를 스펙트럼으로 변환합니다.
실험실에서 사용하는 고가의 장비라면 마이클슨 간섭계라고 불리는 분광 부분에서 특정 빛의 파장을 자동으로 감지합니다. 휴대가 가능한 소형 기기에서도 물질을 투과, 반사한 빛을 교환 가능한 분광기를 통과시켜 원하는 파장을 검출할 수 있습니다.
얻어진 파장은 센서(검출기)로 들어가 각 파장별로 신호로 검출됩니다. 이 신호는 스펙트럼이라는 파형의 파형으로 변환되고, 이 스펙트럼을 분석하여 물질의 상태를 분석합니다.
분광기 실험 예시
분광기를 이용한 실험은 여러 가지가 있는데, 측정하는 파장에 따라 다양한 예가 있습니다.
예를 들어 단파장 쪽에서 각 파장대별 실험 예시를 살펴보면 다음과 같습니다.
- X선 분광기는 물질 표면에 X선을 쪼여 그 반사광을 분광기에 통과시켜 표면의 조성을 파악합니다.
- 자외선 및 가시광선 분광기는 물질에 빛을 투과시켜 대상의 성분과 함유량을 파악합니다.
- 적외선 분광기는 분자 간의 결합에 빛을 비추어 물질의 구조를 파악합니다.
이처럼 분광기의 파장대에 따라 얻을 수 있는 정보가 달라집니다.
분광기에서 얻을 수 있는 스펙트럼
분광기를 사용하는 목적은 미지의 또는 알려진 물질로부터 정보를 습득하여 분석을 통해 물질의 상태를 파악하는 것입니다. 그 분석에 사용되는 것이 분광기에서 최종적으로 얻어지는 스펙트럼이라는 파형도입니다.
분광기에서 얻을 수 있는 스펙트럼에는 다음과 같은 예가 있습니다. 알고자 하는 정보를 먼저 정의하여 적절한 분광기를 선택하고 스펙트럼을 습득하는 것이 중요합니다.
X선 분광기는 측정되는 특성 X선 피크에서 원자를 식별합니다.
자외선 및 가시광선 분광기는 빛을 시료에 투과시켰을 때 여기되는 전자의 에너지 차이를 스펙트럼으로 검출합니다.
적외선 분광기는 원자 사이를 연결하는 결합 사이의 진동 에너지를 스펙트럼으로 검출합니다.