[광학] FT-IR 원리를 쉽게 이해해보자

안녕하세요, 할리킹입니다.

이번 글에서는 FT-IR 원리에 대해 이해하기 쉽도록 풀어서 설명해 보도록 하겠습니다.

간섭계(interferometer)

FT-IR은 물질 분석을 할 때 가장 기본적으로 사용되는 분석 기술 중에 하나입니다. 푸리에 변환(Fourier-Transform)을 뜻하는 FT가 장비 종류의 이름으로 붙여지게 된 이유는 푸리에 변환과 밀접한 연관이 있을 것입니다. 푸리에 변환을 이야기하기 앞서 간섭계에 대한 이야기를 먼저 해보겠습니다.

빛을 두 갈래로 나누고 그 두 갈래를 두 개의 거울로 각각 반사시켜 되돌아오는 두 갈래를 다시 하나로 합쳤을 때 간섭(interference)이 발생하게 됩니다. 이러한 현상을 발생시키는 장치가 간섭계(interferometer)가 되겠지요.

두 갈래의 빛이 각각의 거울을 맞고 돌아오는 거리를 각각의 광경로광 경로 길이(optical path length, OPL)라고 하였을 때, 그 두 광 경로 길이의 차이를 광 경로차(optical path difference, OPD)라 부르며 OPD가 간섭에 중요한 요소로 작용합니다. OPD를 변화시키면서 간섭무늬(interferogram)를 측정하는 형태로 간섭계가 동작하기 때문입니다.

OPD가 0인 거울 위치가 있게 마련입니다. 이를 zero path difference(ZPD)라 합니다. 만약 빛이 단일 파장의 단색광원이라고 한다면 OPD를 변화시키면 파장 길이에 맞춰 주기적인 간섭무늬가 발생합니다. 하지만 빛이 광대역 광원이라고 가정할 경우 ZPD에서 가장 세기가 큰 간섭이 발생하며, OPD가 커지면서 위아래로 요동치면서 감소하는 형태로 간섭무늬가 발생하게 됩니다.

광대역 광원으로 부터 획득한 간섭무늬 내에는 다양한 파장에 대한 광 정보가 들어있게 됩니다. 우리는 이 간섭무늬로부터 파장별 광 세기(spectral power intensity)를 분해하여 분석할 수 있다면 특정 물질의 광특성을 분석해 낼 수 있겠죠. 이것이 분광기(spectroscopy)의 역할입니다.

푸리에 변환(Fourier-transform)

간섭무늬를 획득하고 나면 이제 마지막 단계가 남았습니다. OPD기준으로 작성된 간섭무늬를 주파수 도메인으로 넘겨주는 것입니다. 이거 어디서 많이 들어보시지 않았나요? 시간[s] 축 기준으로 측정된 데이터를 주파수[1/s] 축 기준으로 분석하고자 할 때 사용한 방법, 바로 푸리에 변환이 여기서 사용되게 됩니다. 주파수 축의 단위는 시간 축의 역수로 생각하시면 이해하기 편합니다.

다시 간섭무늬으로 돌아오겠습니다. 간섭무늬는 OPD 축 기준으로 측정된 데이터입니다. 그 단위는 보통 [cm]가 됩니다. 그럼 이 간섭무늬를 푸리에 변환시키면 어떤 축으로 넘어갈까요? 일단 단위만 생각해 보면 [1/cm]로 넘어가게 됩니다. 이 단위를 사용하는 용어가 있습니다. 이를 파수(wavenumber)라고 합니다. 파수는 파장으로 환산 가능하며(파수와 파장과의 관계는 지난 시간에 정리해 둔 내용을 참고하시기 바랍니다.), 이를 통해 우리는 최종적으로 파장별 세기를 획득할 수 있게 됩니다.

파장별 광세기를 이용한 물질 분석 방법

그럼 이렇게 획득한 파장별 세기로 물질을 어떻게 분석할 수 있을까요? 간단히 생각해서 파장별 광세기를 물질이 없을 때와 있을 때 두 번을 측정을 하여 물질에 따른 파장별 세기 변화를 측정하면 물질을 분석해 낼 수 있게 됩니다. 이를 투과도(transmittance, T)라고 합니다.

T(v) = I_sam(v) / I_ref(v)

이 투과도를 백분율로 표현한 것이 %T가 되겠습니다.

%T(v) = I_sam(v) / I_ref(v) * 100

투과도를 log scale로 환산하면 흡수 정도를 나타내는 흡광도(absorbance)로 표현됩니다.

A(v) = - log10(T(v)) = 2 - log10(%T(v))

물질에 따라 파장별 투과도나 흡광도는 달라지게 되므로 물질 분석이 가능해졌습니다. 다음 글에서는 이 투과도나 흡광도가 왜 물질에 따른 달라지는지 그 원인에 대해서 소개해 보도록 하겠습니다.