재료공학부 : 재료기기분석

안녕하세요, 공우 15기 재료공학부 김의현입니다. 재료기기분석이라는 과목을 수강하는 학생이 많지는 않아서 어떤 과목인지 알 기회가 많지 않은 것 같습니다. 제가 재료기기분석 강좌를 들으며 배웠던 내용과 느꼈던 점들을 전달하려 하는데 수많은 재료공학부 전공 선택과목 중 여러분들이 어떤 강좌를 수강할지 선택하는 데에 도움이 되기를 바랍니다!

1. 과목에서 배울 수 있는 내용 

1.1 과목의 전반적인 개요 

재료기기분석은 3학년 전공선택 과목으로 재료공학 분야에서 자주 쓰이는 기기의 구성, 작동 원리와 분석법 등을 배우는 과목입니다. 3학년 전공선택으로 지정되어있지만, 특별한 선행 지식이 필요하지는 않아서 언제 들어도 문제가 될 것 같지는 않습니다.

강좌 전체는 크게 원자 분광법(atomic spectrometry)과 분자 분광법(molecular spectrometry)으로 나뉘어져 있는 “분광법”에 중점을 둔 분석법을 배우는 과목입니다. 이를 위해 먼저 분광 분석 장치의 구성 장치들과 각 장치들의 작동 원리 및 세부 종류에 대해 배웁니다. 이후 대표적인 원자 분광법과 분자 분광법들에 대해 배우며 각 방법들의 기능과 구동 원리에 대해 배우게 됩니다.

 

1.2 키워드 별 개념 설명 

1) Optical spectroscopy에서 활용하는 현상

현재 사용되고 있는 광학 분광법에서는 Absorption(흡수), Fluorescence(형광), Phosphorescence(인광), Scattering(산란), Emission(방출), Chemiluminescence(화학발광)의 6가지 현상을 활용하여 분석을 진행합니다. 각 현상을 활용하는 장치마다 세부적인 기기의 구성과 장단점이 다르기 때문에 적절한 분석장치를 사용하는 것이 중요하고, 강의 전반에서 이러한 현상들을 활용한 장치들을 세부적으로 배운다고 생각하면 좋을 것 같습니다.

 

2) Optical instruments의 구성 장치

전형적인 분광 장치(optical instruments)는 크게 source of radiant energy, sample container, wavelength selector, radiation transducer, signal processor and readout의 5가지 components로 구성되어 있습니다. 대략적인 개요도는 아래와 같습니다.

Optical Instruments의 개요도

어떤 현상을 활용하는 장치인가에 따라 장치의 세부 배치 등이 다를 수 있지만, 크게 위 개요도와 같은 형태로 배치되어 있다고 생각하면 좋을 것 같습니다. 각각의 구성 요소에 대해 간략히 설명해보도록 하겠습니다.

(1) Source

Source는 복사선을 방출하는 장치를 의미합니다. 크게 파장의 함수로 세기가 매끄럽게 변하는 복사선을 방출하는 continuum source와 몇 개의 불연속적인 선을 방출하는 line source가 있습니다. Continuum source는 주로 흡수, 형광 분석법에서 사용되고, line source는 흡수, 형광 분석법 및 Raman 분광법에서 주로 사용되는 source입니다. 대표적인 continuum source에는 deuterium lamp, tungsten filament lamp 등이 있으며, line source에는 hollow-cathode lamp 등이 있습니다. LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) source는 강한 세기,높은 단색성, coherent한 성질 등의 장점을 가지고 있기 때문에 자주 사용되고 있습니다.

(2) Wavelength selector

분광법에서는 좁은 bandwidth(파장 범위)를 가지는 빛이 필요하기 때문에 wavelength selector가 원하는 영역대의 파장을 가진 빛을 걸러내 줍니다. Wavelength selectord의 종류로는 크게 원하는 파장을 선택적으로 투과하거나 막는 filter와, prism이나 grating(회절격자) 등을 활용하여 원하는 파장을 가진 빛 만을 만드는 monochromator 등이 있습니다.

(3) Sample container

분광법을 통해 분석하고자 하는 시료는 대부분 액체 상태이기 때문에 sample을 담아둘 container가 반드시 필요합니다. Quartz, silicate glass, plastic containers 등이 있는데, sample containers 또한 각각 특정한 파장대의 빛과 상호작용하기 때문에 분석할 때 이용하고자 하는 파장대에 따라서 적절한 sample container를 선택해야 sample에 의한 영향만을 분석할 수 있게 됩니다.

(4) Detector

Detector는 sample을 거친 복사선을 electrical signal로 바꿔주는 역할을 하며, Radiation transducer라고도 합니다. 이상적인 transducer는 높은 sensitivity, high signal-to-noise ratio(잡음에 비해 신호의 세기가 큼), 넓은 파장에서 일정한 감응, 빠른 반응 시간, radiation이 없을 때 signal이 없는 성질을 가져야 합니다. 현재 존재하는 transducer 중 이러한 이상적인 성질을 모두 만족하는 transducer는 없기 때문에 이를 보완할 방법이나 이상적인 성질을 가질 수 있도록 하는 방법 등이 고안되고 있습니다.

(5) Signal processor and digital readout

Signal processor and digital readout은 변환된 전기적 신호를 우리가 해석할 수 있는 형태(graph 등)로 보여주는 장치입니다. 쉽게 생각하면 컴퓨터 모니터 등이 이러한 장비의 한 종류가 될 수 있습니다.

 

3) Atomic Absorption Spectroscopy

분광 분석법의 대표적인 종류 중 하나인 atomic absorption spectroscopy(AAS)은 주로 금속 자유전자의 빛 흡수로부터 chemical element를 정량 분석하는 장치입니다. 금속 원소의 농도를 측정하기 위해 주로 사용합니다. AAS는 sample preparation, atomization, absorption, measurement and analysis, 그리고 calibration and quantification의 다섯 단계로 이루어집니다.

(1) Sample preparation

Sample을 AAS에 적합한 형태로 준비하는 과정입니다. AAS에서는 주로 액체 상태의 시료를 사용하기 때문에 분석하고자 하는 물질을 적절한 용매에 용해시켜 sample을 준비합니다.

(2) Atomization

Analyte solution을 flame 등을 활용하여 atomic ions로 만드는 과정입니다. 오른쪽 그림과 같은 과정을 통해 sample의 atomization이 일어납니다.

Sample Atomization 과정

(3) Absorption

적절한 radiation source로부터 방출된 복사선을 atomized된 시료가 흡수하는 과정입니다. 물질마다 특정 파장의 복사선만을 흡수하게 되는데요, 하지만 실제 분석 과정에서는 분석을 방해하는 interference(간섭)이 존재하게 됩니다. 이는 크게 spectral interference와 chemical interference의 두 가지로 나눌 수 있습니다. Spectral interference는 방해를 일으키는 물질의 흡수 혹은 방출 파장이 겹치거나 너무 가까워서 단색화 장치가 이를 구분해내지 못해 발생하는 간섭입니다. Atomized 과정에서 생성되는 부수적인 물질들 때문에 scattering이 일어나거나 연소 과정에서 생긴 생성물로 인한 scattering 등의 원인에 의해 두 선의 간격이 0.01 nm보다 작아지면 spectral interference가 발생하게 됩니다. Chemical interference는 이보다 더 흔하게 일어나는데, low volatility를 가지는 화합물이 생성되거나 시료가 이온화되는 등의 원인에 의해 발생하게 됩니다. 수업에서는 이러한 interference를 제거하는 방법들에 대해 배우게 됩니다.

(4) Measurement and analysis

위의 과정을 거친 후의 복사선을 측정하여 결과를 해석하는 단계입니다.

(5) Calibration and quantification

AAS의 측정 결과로 얻은 흡광도는 Beer’s law를 따르기 때문에 농도를 이미 알고 있는 표준 용액을 이용하여 적정 곡선을 그리고, 이후 sample의 농도를 결정하게 됩니다.

AAS의 전체적인 흐름은 위와 같습니다. 이와 같은 AAS는 60개 이상의 금속 또는 준금속 원소를 높은 감도로 측정할 수 있기 때문에 많이 활용되고 있습니다.

 

4) Atomic Emission Spectroscopy

Atomic Emission Spectroscopy(AES)는 flame, plasma, arc 등에 의해서 excited된 sample에 의해 방출되는 빛을 활용하는 분석 방법입니다. 전체적인 분석 과정은 위의 AAS와 유사합니다. 다만, AES는 AAS에 비해 chemical interference가 적고, 비금속도 측정이 가능하며 매우 넓은 농도 범위의 sample을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 널리 사용되고 있습니다. 수업에서는 sample을 excite 시키는 방법과 각 방법의 장단점, sample로부터 방출된 복사선을 파장별로 분리해내는 방법 등을 다루게 됩니다.

AES의 한 종류인 ICP AES의 장치 개요도

 

5) Atomic Mass Spectroscopy

Atomic Mass Spectroscopy(AMS)는 sample을 ionization시킨 후 m/z ratio(mass-to-charge ratio) or ion을 측정하는 분석 방법입니다. 위에서 제시되었던 AAS와 AES에 비해 더 낮은 농도의 시료도 검출할 수 있고 간단한 spectra 결과를 가지며, 원자들의 동위 원소비를 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 사용되고 있습니다.

AMS의 작동 과정 개요도

위 그림은 AMS의 작동 과정을 개략적으로 나타낸 것입니다. 수업에서는 sample을 이온화 시키는 법, 이온화된 시료를 분자량에 따라 분리해내는 법, detector에 도달한 이온을 전기적 신호로 변환하는 방법 들을 배우게 됩니다.

 

6) Atomic X-ray Spectroscopy

Atomic X-ray spectroscopy는 x-ray의 산란, 회절, 간섭 등의 현상을 활용하는 분석 방법입니다. 대표적인 예시 중 하나인 X-ray diffraction에서는 Bragg’s law로 설명되는 x-ray의 간섭무늬를 활용하여 시료 결정의 면간 거리 등을 결정할 수 있게 됩니다. 이러한 x-ray는 위의 방법들과 달리 시료를 파괴하지 않고 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

X-ray spectroscopy 장치 개요도

이상의 설명을 통해 재료기기분석이라는 과목에서 어떤 내용을 배우는지 알아보았습니다. 위의 설명에서는 자세한 부분들은 다루지 않고 전체적인 흐름을 다루었기 때문에 더 많은 내용을 알고 싶으시다면 재료기기분석 과목을 수강해보면 좋을 것 같습니다!

 

참고자료: Skoog, D. A., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2016). Instrumental analysis 7e. Belmont: Brooks/Cole, Cengage Learning.

 

2. 선배의 조언 

재료기기분석 과목 특성 상 수식적으로 전개되는 내용보다는 암기해야 할 내용이 많을 수 있습니다. 분자 분광법 파트에서는 IR 분석으로 얻은 그래프를 보고 주어진 물질 중 어느 물질의 측정 결과에 해당하는지를 물어보는 등을 배우기도 하지만, 원자 분광법 파트에서는 기기들의 구성 요소와 구동 원리를 보다 세부적으로 배워 외워야 할 부분이 많게 느껴질 수 있습니다. 그래서 어떤 부분이 중요한지의 여부를 판단하는 것이 중요할 것 같습니다. 예를 들자면 과목 구성이 “원자 흡수 분광법”과 같은 큰 대주제 안에서 source를 어떤 것을 선택할 것인지, wavelength selector를 무엇으로 선택할지 등에 따라 세부적인 기기로 나눈 뒤 배우는 형식으로 구성되어 있습니다. 사실 이럴 때 “원자 흡수 분광법”이 무엇인지, 이의 장단점이 무엇인지, 대략적인 구동 과정이 어떻게 되는 것인지가 중요한 내용이지 세부적인 source의 선택법, 특정 wavelength selector의 장단점은 그렇게 중요한 내용은 아니게 됩니다. 이러한 중요도를 잘 판단하여 공부하게 된다면 효율적으로 공부할 수 있을 것 같습니다. 과목 특성 상 figure들이 많기 때문에 교재를 구매하여 함께 보는 것도 좋을 것 같습니다.

또, 과목 수강을 위해서 특별한 배경지식이 필요하지 않습니다. 이전에 분석 기기를 사용해본 적이 있다면 감을 잡는 데에는 편할 수 있지만, 수업을 따라가는 데에는 큰 영향이 없는 것 같습니다. 이에 더해 학부 전공 필수 과목과 큰 연관이 있지는 않습니다. 아무래도 재료공학부 전공 필수 과목들은 대부분 이론 위주의 수업이다 보니 이 강좌에서 다루는 practical한 내용들과는 큰 연관이 없을 수 있습니다. 대학원 진학 등 추후 진행할 연구에 도움이 되는 과목에 가깝다 보니 전공 필수와 연계된 전공 선택 과목을 수강하고 싶다고 하는 분들에게는 도움이 되지 않을 수 있지만, 졸업 후 연구계에 남을 계획이 있는 분들이라면 추천하고 싶은 강좌입니다.

 

3. 진로 선택에 도움되는 점 

재료공학부 특성 상 추후 연구를 진행하게 된다면 AAS, MS, XRD, IR, UV-vis 등의 분광 장치를 활용한 분석을 진행하게 될 가능성이 높습니다. 물론 재료기기분석을 수강하지 않더라도 본인의 연구에 특정 기기가 필요한 상황이 왔을 때 사용 방법과 간단한 결과 해석법만 알아도 될 수 있습니다. 다만, 이 강좌에서는 특정한 목표를 위해 해당 기기가 왜 적절한지, 적절하지 않은지를 자세히 배울 수 있기 때문에 분석하고자 하는 대상에 적절한 분석 방법을 선택할 수 있는 능력을 가질 수 있을 것 같습니다. 특정 연구 분야를 위해 필요한 과목이라기 보다는 재료공학자라면 알아두면 좋은 내용을 다루고 있기 때문에 여유가 있다면 수강해보면 좋을 것 같습니다.

 

4. 맺음말

저도 처음에는 나중에 기기 분석을 하게 된다면 선행 연구에서 쓴 기기들을 활용해 적당히 분석하면 될 거라 생각해서 재료기기분석을 수강하는 것이 큰 의미가 없다고 생각하였습니다. 하지만, 선행 연구에서 사용하지 않았던 기기를 사용함으로써 의미 있는 다른 결과를 얻을 수도 있을 수 있고 기기의 구동 원리를 알고 다루는 것과 알지 못하고 다루는 것 사이에 측정 결과를 보고 얻을 수 있는 정보 또한 다를 수 있을 것이라 생각하기 때문에 추후 연구에서 분석 장비를 활용할 계획이 있으신 분들을 들어 보시면 좋을 것 같습니다!