분광분석기, 분광기 (Spectrometer)의 구성

 

분광분석기, 분광기란 무엇인가요?

분광기는 빛 또는 다른 전자기파와 물질의 상호작용을 분석하고 측정하는 데 사용되는 기기입니다. 물질에 의한 빛의 흡수, 방출 및 산란을 연구하는 과학의 한 분야인 분광학의 가장 기본적인 도구입니다.

분광기는 과학자들이 각 파장에서 빛의 세기를 연구할 수 있도록 하면서 빛을 다른 파장 또는 주파수로 분리함으로써 작동합니다. 물질이 특정 파장의 빛과 어떻게 상호작용하는지 보여주는 스펙트럼으로 표현되며, 결과로 데이터를 얻을 수 있습니다.

 

분광기의 구성

분광기의 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• Spectrometer - Detector, Optical Bench, Optics, Electronics
• Sampling Optic - Holder, Collimator
• Light Source 
• Software 

 

한가지씩 자세히 살펴보겠습니다.

 

1. 분광기 (Spectrometer) 에 대해서

일반적으로 분광기안에는 디텍터와 옵티컬벤치, 옵틱스, 일렉트로닛유닛이 장착되어 있고, 이 구성요소들은 분광기가 빛과 물질의 상호작용을 측정하고 분석하여 스펙트럼 데이터를 생성합니다. 분광기는 여러가지 응용 어플리케이션에 적용 가능하며, 다양한 구성 및 설계가 가능합니다. 

 

검출기 (Detector)
분광기의 검출기는 다른 파장 또는 주파수에서 빛의 세기를 측정하는 역할을 합니다. 이것은 들어오는 빛을 처리 및 분석할 수 있는 전기 신호로 변환합니다. 검출기의 선택은 특정 응용 분야와 전자 스펙트럼의 영역에 따라 달라집니다. 분광기에 사용되는 일반적인 유형의 검출기에는 광다이오드, 광전자 증배관(PMT), 전하 결합 장치(CCD) 및 포토다이오드(APD)가 있습니다.

광학 벤치 (Optical Bench)
광학 벤치는 분광기의 구조적 틀입니다. 다양한 광학 부품이 장착할 수 있습니다. 광학 벤치는 빛 경로가 정확하게 유지되도록 보장하여 고품질 스펙트럼 데이터를 얻기 위해 왜곡 또는 수차를 최소화합니다. 광학 array는 분광기의 성능에 중요하며 광학 벤치는 정밀도를 달성하는 데 중요한 역할을 합니다.

옵틱 (Optics)
분광기의 옵틱은 빛을 다른 파장 또는 주파수로 분리해주는 광학 요소입니다. 렌즈, 프리즘, 격자, 빔 스플리터 및 거울이 포함될 수 있습니다. 옵틱의 주요 기능은 들어오는 빛을 시준하고 분산시켜 검출기에 의해 측정될 수 있는 스펙트럼을 만드는 것입니다. 분광기의 특정 설계와 목적에 따라 선택하는 옵틱이 달라집니다.

전자장치 (Electronics)
분광기의 전자 장치는 신호 처리, 데이터 획득 및 데이터 분석을 담당합니다. 검출기에 의해 생성된 전기 신호는 스펙트럼 출력을 생성하기 위해 증폭, 디지털화 처리될 필요가 있습니다. 전자 장치는 아날로그-디지털 변환기(ADC), 증폭기, 신호 처리기 및 분광기를 제어하고 데이터 저장 및 분석을 처리하기 위한 컴퓨터에 연결됩니다.

 

2. Sampling Optic 에 대해서

샘플로부터의 광이 적절하게 수집되고, 방향이 지정되며, 분광기 시스템의 다른 광학 구성 요소 및 검출기에 의한 분석을 위해 중요한 역할을 합니다.

 

샘플 홀더 (Holder)
홀더는 분석 중인 시료를 분광기와 정확한 위치에 고정시키는 장치로, 시료가 광 경로 및 광원과 적절하게 정렬되도록 하여 정확한 측정이 가능합니다. 시료 홀더는 시료의 특성 및 특정 분광 기술의 요구 사항에 따라 다양한 형태로 되어있습니다.
예를 들어 큐벳 홀더는 액체 샘플을 위한 홀더입니다. 고체 샘플의 경우, 광 빔의 샘플 각도를 조정할 수 있는 스테이지가 필요합니다.또한 분석하는동안 샘플의 특정 온도로 유지하기 위한 온도 제어가 가능한 홀더도 있습니다.

 

콜리메이터 (Collimator)
콜리메이터는 샘플링 광학에서 필수적인 악세사리이며, 주요 목적은 샘플로부터의 광을 평행 또는 시준하는 것입니다. 이를 통해 광선이 평행 방식으로 지향되도록하여 광학 시스템의 일관되고 집중적으로 만들어 줍니다.
분광학에서, 샘플에서 방출, 투과 또는 반사된 광은 종종 넓은 범위의 각도와 발산 광선을 가집니다. 콜리메이터는 이 산란된 광을 가져가서 격자 또는 프리즘과 같은 다른 광학 구성 요소를 통과하기 전에 더 균일하고 평행한 빔으로 변환합니다. 

 

3. 광원 (Light Source)에 대해서

광원은 빛을 생성하고 방출하는 역할을 합니다. 분광기는 분석 대상이 되는 물질과 빛을 상호작용시키는데, 이를 위해서는 분석에 사용될 적절한 파장과 강도를 갖는 빛이 필요합니다. 광원은 이러한 빛을 제공하여 분광기의 기능을 활성화시키는 중요한 요소입니다.

4. 소프트웨어 (Software)에 대해서

소프트웨어는 스펙트로미터의 동작과 데이터 처리를 관리하며, 측정 결과를 사용자에게 PC를 통하여 확인할 수 있습니다.

소프트웨어를 통해 스펙트로미터를 제어하고, 설정할 수 있으며, 스펙트로미터를 통해 측정된 데이터를 취득하여 파장값을 계산할 수 있습니다. 동시에 측정된 스펙트럼을 소프트웨어를 통해 시각화하여 그래프 또는 차트로 확인할 수 있습니다. 스펙트로미터의 정확한 측정을 위해서는 Calibration과 Cal이 필요하며, 이는 소프트웨어를 통해서 가능하며, 스펙트럼 데이터를 파일로 저장하거나 인쇄할 수 있습니다.