FTIR- 푸리에 변환 적외선 변환기 원리

1.     FTIR의 원리 와 보강/상쇄 간섭

2.     보강/상쇄 간섭의 원리를 통해 FTIR을 이해할 수 있다.

3.     이론

 

FTIR은 Fourier Transform Infrared Spectroscopy로 푸리에 변환 적외선 분광기를 뜻한다.FTIR은 기본적으로 마이컬슨-몰리의 실험으로부터 얻은 마이컬슨 간섭계를 이용한 방법인데,  이를 효과적으로 이해하기 위해서는 일련의 개념에 대해 알 필요가 있어 먼저 훑어보려고 한다.

 

어디서부터 이야기해볼까 하다가, 빛에 대한 이야기를 해보려고 한다. 우리는 가시광선 영역만을 눈으로 볼 수 있다. 이는 우리가 가시광선 영역에서 방출되는 빛을 볼 수 있기 때문인데, 그렇다면 빛은 입자일까? 파동일까? 생각해 보면 매우 이중적인 뜻이다. 우리가 사는 세상에서는 야구공을 입자로 간주하고, 음파를 파동 운동의 한 형태로 간주하는 것에 익숙하기 때문이다. 거시적으로 관측되는 모든 현상들은 파동이나 입자 둘 중하나로 설명될 수 있다. 그러나 한가지 확실한 것은 광자나 전자의 세계에서는 이런 구별이 명확하지 않다는 것이다. 그리고 이러한 사실을 드브로이의 물질파를 통해서 파악할 수 있다.  움직이는 모든 물체는 파장을 갖는다 , 다시 말해 질량을 갖는 모든 물체는 파장을 갖는다 라는 뜻이다. 따라서 우리는 FTIR의 원리를 이해하기 위해서는 파장이 갖고 있는 특성에 대해 생각해 볼 필요가 있어 파장의 간섭에 대해 이야기 하려고 한다.

 

 

다음 그림은 여러 종류의 전자기파들의 스펙트럼을 보여준다. 이처럼 우리가 관심 갖고 보는 적외선의 경우도 파동의 형태를 띤다. 파동은 파장이라고 하는 특정 크기를 가지고 있다. 입자와 파동의 또다른 중요한 차이는 같은 매질 내 한지점에서 두개 이상의 파동이 결합할 수 있다는 것이다. 입자들을 결합시켜 크기가 있는 물체를 만들 수 있지만, 입자들은 서로 다른 지점에 위치하게 된다. 이와는 대조적으로 두 개의 파동은 동시에 같은 위치에 존재할 수 있다. 이러한 파동의 결합을 분석하기 위하여 중첩의 원리에 따라 적외선이 선형 파동이라고 간주한다. 중첩의 원리에 따라 진행하는 두 파동은 서로를 변화시키거나, 파괴시키지 않고 서로를 통과해 간다. 그리고 공간상 같은 점에서 독립된 파동들이 결합하여 합성 파동을 만드는 것을 간섭이라고 한다. 간섭에는 다음과 같이 두가지가 존재한다.

 

첫번째는 보강 간섭이다. 두 펄스에 의해 야기된 변위가 서로 같은 방향이면 이들 중첩을 보강 간섭이라고 한다.

 

 

 

두번째는 상쇄간섭이다.두 펄스가 통과해 가더라도, 두 펄스에 의해 야기된 변위가 서로다른 방향이면 이들 중첩을 상쇄간섭이라고 부른다.

 

 

그림을 참고하여, 파동들의 파장이 같고 진폭이 같지 않은 일반적인 경우, 그 결과들은 다음 사항들을 제외하고 유사하다. 위상이 같은 경우 합성 파동의 진폭은 단일 파동 진폭의 두 배가아 나리고 두 파동의 진폭의 합이다. 그러나 두파동의 위상이 다른경우 위와 같이 파동들이 완전히 상쇄되지는 않는다. 합성 파동의 진폭은 대개 파동의 진폭의 차이로 설명할 수 있다. 이러한 사실들을 바탕으로 마이컬슨 간섭계를 효과적으로 이해할 수 있다.

그림을 참고하여, 광원에서 빛이 나오면 빔 분리개에 50프롤 반사 50프로는 투과된다. 이때 반사된 각각의 빛들이 빔 분리개에서 만나면 처음 투과파와 반사파와 위상이 같으므로 보강간섭이 일어난다. 그런데 이때 이동거울 M1을 이동시키면 그만큼 파장의 차이로 인해서 위상이 달라지는데, 이 위상차이로 인해 상쇄간섭이 일어난다. 다음과 같은 신호들을 퓨리에 변환으로  함수로 나타내 준다.

다음과 같은 방식으로 간섭이 일어난 파동들이 물체에 의해 흡수된다. 흡수된 적외선에너지는 물체의 원자들을 들뜬상태로 만들어 그들의 진동과 병진운동을 증가시키고 내부에너지 형태로 나타나서 온도를 높인다. 적외선 복사의 경우 물리치료, 적외선 촬영, 진동 분광학등 많은 분야에서 실용적 및 과학적으로 응용된다.

FTIR의 경우도 마찬가지인데, 시간이나 공간에서 신호를 시간 주파수로 변환시키는 푸리에 변환을 통해 물체에 의해 흡수된 적외선에너지를 측정할 수 있다. 그리고 앞서 전술한 간섭계를 사용하여 위상 변조한 적외선영역을 이용하는 것이 바로 푸리에 변환 적외선 분광법 FTIR이다.

이때 우리가 실험하고자 하는 물체에 적외선을 쏘면, 반사광, 간섭계등 파동의 원리, 중첩의 원리에따라 물체의 각 고유한 적외선 에너지를 얻을 수 있다. 그리고 앞서 전술하였듯이, 이 때 흡수한 적외선이

다음과 같이 분자를 진동시켜 병진운동을 촉진시킨다. 그리고 그 때의 고유한 적외선 에너지를 우리는 얻을 수 있다.

 

 

 

 

출처 .

1.     William D Callister JR 재료과학과 공학 시그마프레스 pp862~877

2.     Raymond A serway 핵심대학물리학 북스힐 pp333~347   pp671~754

3.     Emily Moore, Fourier Transform infrared Spectroscopy: methods analysis and research insights pp33~66