분광기란? 용도, 구조 및 작동 원리

분광기란?

분광기는 광학 측정 장비로,복합 광선을 단색 성분으로 분석합니다정확한 화학 조성을 확인할 수 있어 연구실, 산업 생산 및 품질 검사에서 널리 사용됩니다.

분광기의 주요 구성 부품은 무엇인가요?

분광기는 다음 부품으로 구성됩니다:

• 콜리메이터: 좁은 슬릿에서 나온 빛을 평행광으로 만듭니다。
• 분산계(프리즘 2개): 빛을 단색 파장으로 분리합니다.
• 이미지 챔버: 스펙트럼을 받아 분석합니다(접안부/암실이라고도 함).

분광기의 작동 원리는 무엇인가요?

장비는분산 현상－백색광을 단색 색상 띠로 분리하는 현상(빨강, 주황, 노랑 등)입니다. 프리즘의굴절률은 파장마다 달라 물질 성분을 판별하는 데 도움이 됩니다.

산업, 의료 및 연구 분야의 분광기 응용

• 합금 성분 분석(강철 및 알루미늄 품질 검사).
  • 분광기는 재료 내 성분 함량을 확인해 분석 시간과 노력을 줄여 줍니다.
  • 이는 분광기의 가장 중요한 응용 중 하나이며 연구와 조사 분야에 특히 유용합니다.
• 유해 불순물 검출(식품 포장재, 의약품).
  • 시료에 포함된 성분 함량을 쉽게 확인할 수 있습니다.
  • 이를 통해 유해 성분을 검출할 수 있습니다. 품질 관리자는 식품 포장재 검사 과정에서 이 응용을 자주 활용합니다.
• 신소재 연구(태양 에너지, 나노 소재).
  • 과학 연구에서 지구상 존재가 확인되기 전 분광기를 사용해 태양 표면의 헬륨을 발견하기도 했습니다.
  • 또한 태양광에서 얻는 스펙트럼이 흡수선 스펙트럼이라는 점도 밝혀졌습니다.

주조 및 금속 분야에서 합금 조성을 신속히 검사하는 OES Foundry Master Expert.

스펙트럼 종류

기본 스펙트럼은 세 종류입니다:

1. 연속 스펙트럼
2. 방출선 스펙트럼
3. 흡수선 스펙트럼

연속 스펙트럼

연속 스펙트럼(Continuous Spectrum)은 빨강에서 보라까지 색이 연속적으로 변하는 빛의 띠입니다.

에 따르면Wikipedia연속 스펙트럼은 에너지나 파장 등 물리량이 취할 수 있는 값의 집합으로, 실수의 연속 구간으로 표현됩니다. 값 사이에 명확한 간격이 있는 이산 스펙트럼과 대조됩니다.

값이 매우 가까워 구분하기 어려운 이산 스펙트럼(예: 결정 내 포논)을 연속 스펙트럼으로 근사하기도 합니다.

양자계에서 연속 스펙트럼은 기체 원자, 전자빔의 전자, 금속 전도대 전자와 같은 자유 입자와 관련되는 경우가 많습니다.

즉 자유 입자의 위치와 운동량은 연속 스펙트럼을 갖지만, 입자가 제한된 공간에 갇히면 스펙트럼은 이산화됩니다.

방출선 스펙트럼

방출선 스펙트럼(Emission Spectrum)은 어두운 배경에 분리된 색선이 나타나는 스펙트럼입니다.

각 원소는 고유한 방출 스펙트럼을 가지며 선의 색도 원소마다 다릅니다.

이 특성을 이용해 화합물에 포함된 화학 물질을 식별할 수 있습니다.

흡수선 스펙트럼과 마찬가지로 방출선 스펙트럼도 색선의 위치를 분석해 원소를 식별합니다.

흡수 스펙트럼

흡수 스펙트럼(Absorption Spectrum)은 연속 스펙트럼 배경에 어두운 선으로 나타납니다.

간단히 말해 연속 스펙트럼 배경에 어두운 선이 나타납니다.

백색광보다 온도가 낮은 기체나 증기를 백색광이 통과할 때 이 스펙트럼이 발생합니다.

가장 많이 사용되는 분광기 3종

프리즘 분광기

복합 광선을 여러 단색 성분으로 분리하는 데 사용되는 장비입니다.

프리즘 분광기는 구조가 비교적 단순하며 주요 부품 세 가지로 구성됩니다:

• 콜리메이터
• 분산계
• 이미지 챔버

프리즘 분광기는 다음 순서로 작동합니다:

1. 빛을 좁은 슬릿 F에 입사시킵니다.
2. 렌즈 L1을 통해 빛을 평행광으로 바꿉니다.
3. 프리즘을 통과한 평행광은 색과 진행 방향이 서로 다른 두 평행광으로 분리됩니다.

분광기X선 형광(XRF)

이 장비는 재료에 포함된 원소 성분 분석에 자주 사용됩니다.

• 응용: 귀금속 및 광물 분석, 전자제품 RoHS 검사.

X선 형광 분광기는 다음 순서로 작동합니다:

1. 물체에 X선을 조사합니다.
2. X선 일부는 흡수되고 나머지는 물체를 통과합니다.
3. 흡수와 투과 정도는 물체의 화학 조성과 두께에 따라 달라집니다.

레이저 분광기(LIBS)

LIBS 기술은 레이저로 시료를 기화합니다. 재료 내 원자가 여기되면 포함된 원소에 고유한 빛을 방출합니다.

센서가 빛의 특징을 감지해 분석기에 전달하고, 분석기는 금속의 화학적 특성과 구조를 판별합니다.

마지막으로 분석기는 원소 비율과 조성을 데이터베이스와 비교해 합금을 신속히 확인합니다.

예:“Vulcan은 LIBS 기술을 사용해 항공기 제조용 합금을 검사합니다.”

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