화학생물공학부: 기기분석

안녕하세요, 화학생물공학부 재학 중인 공우 15기 박민규입니다. 지금부터 화학생물공학부의 과목인 기기분석 과목에 대해 소개해드리겠습니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1 과목의 전반적인 개요

기기분석은 물질의 분석에 사용되는 다양한 기기들의 구조와 원리를 학습하는 과목입니다. 특히, 여러 분석 기법의 ① 이론적 배경, ② 측정 과정에서 발생하는 오차, ③ 오차를 최소화하기 위한 시료의 조건과 주변 환경 등을 다룹니다. 분석 대상의 특성에 따라 사용하는 기기와 분석 기법이 달라지기 때문에, 이 과목을 제대로 이해하기 위해서는 물질의 특성과 다양한 분석 기법에 대한 폭넓은 지식이 필요합니다.

물질의 특성을 이해하기 위해서는 공유결합 및 이온결합, 결정 구조, 원자 및 분자의 에너지 준위 등에 대한 기본 개념이 필수적입니다. 또한, X선 회절법(X-Ray Diffraction, XRD)과 분광학 분석을 포함한 대부분의 분석 기법들이 전자기파를 사용하므로, 회절(Diffraction), 산란(Scattering), 투과(Transmission), 굴절(Refraction), 반사(Reflection), 편광(Polarization), 간섭(Interference) 등 전자기파의 다양한 성질을 이해하는 것이 중요합니다.

이제 강의에서 중점적으로 다루는 XRD와 분광학 분석법에 대해 소개하겠습니다.

1.2. 키워드별 개념 설명

(1) 결정 구조 및 XRD

XRD(X-ray Diffraction)은 결정 구조를 가진 고체에 X선을 조사하여 결정의 구조를 알아내는 분석 기법입니다. 따라서, XRD를 이해하기 위해서는 결정 구조에 대한 기본 지식이 필요합니다.

결정(Crystal)이란 원자, 이온, 분자 등이 규칙적인 입체 배열을 이루고 있는 고체를 의미합니다. 결정은 물질을 구성하는 화학 결합의 종류에 따라 공유 결합 결정, 이온 결합 결정, 금속 결합 결정, 분자 결정으로 구분됩니다.

A. 결정 구조

결정은 입체 배열이 규칙적으로 반복되므로, 반복되는 배열의 최소 단위를 정의할 수 있습니다. 이를 단위 세포(Unit Cell)라고 합니다. 모든 결정의 단위 세포는 6면체로 이루어져 있으며, 변의 길이를 a, b, c로, 변 사이의 각도를 α, β, γ로 표기합니다.

단위 세포의 기본 형태

이때, 모든 단위세포는 a, b, c의 길이 관계와 α, β, γ의 크기에 의해 다음 7가지로 분류할 수 있습니다.

단위 세포의 7가지 형태

단위 세포를 정의하면, 단위 세포의 모든 방향과 평면을 간단한 정수 비로 표현할 수 있습니다. 이를 밀러 지수(Miller index)라는 표기법을 사용하여 나타냅니다. 단위 세포를 이루는 세 기저 벡터를 a, b, c라고 할 때, 모든 단위 세포 내의 입자 위치는 이 벡터들의 선형 결합 ha+kb+lc로 표현됩니다. 이 위치를 밀러 지수로는 [h k l]와 같이 표기합니다. 만약 h, k, l 중 분수가 있다면, 세 수에 모두 적당한 정수를 곱하여 자연수로 만들어줍니다. 또한, 음수는 절댓값에 바(bar)를 씌워 표기합니다. 밀러 지수를 이용하여 위치를 나타내는 예시는 다음 그림과 같습니다.

밀러 지수를 이용한 위치 표현

모든 평면도 비슷한 방법으로 밀러 지수로 표현할 수 있습니다. 평면이 a, b, c축과 만나는 좌표가 [x 0 0], [0 y 0], [0 0 z] 라면, 이 평면은 (1/x 1/y 1/z)로 표현됩니다. 자연수가 아닌 값이 있다면 세 수에 모두 적당한 정수를 곱해 자연수로 만듭니다. 밀러 지수를 이용하여 평면을 표현하는 예시는 다음 그림과 같습니다.

밀러 지수를 이용한 평면의 표현

B. XRD의 원리

이제 XRD의 원리에 대해 알아보겠습니다. 결정 구조의 규칙성으로 인해 특정한 평면에는 원자핵이 규칙적으로 분포합니다. 이 평면은 X선을 반사하는 반투명 거울(semi-transparent mirror)로 생각할 수 있습니다. 이때 XRD는 위상이 같은 X선을 결정에 조사할 때, 반사되어 나오는 두 광선이 보강간섭을 하는 각도를 이용하여 결정의 구조를 분석합니다.

구체적으로, 아래 그림에서 2번 광선은 1번 광선보다 XY+YZ=2dsinθ 만큼 더 진행하였으므로, 2dsinθ=nλ (n은 자연수, λ 는 X선의 파장)를 만족하는 각도 θ 에서 X선의 보강 간섭이 일어납니다. 이를 브래그 법칙(Bragg's Law)라고 합니다.

브래그 법칙의 설명

평면과 평면 사이의 거리는 점과 직선 사이 거리 공식을 이용하여 구할 수 있습니다. 직육면체형 결정(α=β=γ=90°) 에서 평면 A는 원점을 지나고, 평면 B는 밀러 지수로 (h k l) 일 때 두 평면 사이 거리 d는 다음 식을 통해 계산 가능합니다.

따라서, 보강 간섭이 일어나는 각도 θ 들을 측정하면 브래그 법칙으로 d를 계산할 수 있고, 위 식을 이용하여 단위 세포의 길이 a, b, c를 알아낼 수 있습니다. 실제 측정에서는 보강간섭이 일어나는 θ 값뿐만 아니라 θ별 보강 간섭의 상대적 세기(relative peak intensity)도 측정할 수 있습니다. Peak intensity는 물질을 분석할 때 중요한 지표로 사용되며, 기기분석 강의를 수강하면 peak intensity에 영향을 주는 여러 요인에 대해 배우게 됩니다.

실제로 측정을 진행하면 데이터들은 아래 그림과 같이 나오게 됩니다.

XRD로 측정한 실제 데이터

(2) 분광학 분석법(Spectrometric Methods)

분광학 분석은 물질을 구성하는 원소의 종류와 농도를 알아내기 위해 사용하는 방법입니다. 분광학 분석은 크게 광학 분광법(Optical Spectrometry),질량 분광법(Mass Spectrometry), X선 분광법(X-ray Spectrometry)으로 분류할 수 있습니다.

A. 광학 분광법

광학 분광법은 시료를 기체 상태의 원자 또는 이온으로 만든 후, 전자기파를 조사하여 시료가 흡수하거나 방출하는 전자기파를 측정하는 방식입니다. 전자기파는 파장 별로 에너지가 다르기 때문에, 조사하는 빛의 파장에 따라 다양한 현상이 관찰됩니다. 예를 들어, 분자가 에너지가 작은 마이크로파를 흡수하면 분자의 회전운동이 일어나지만, 에너지가 높은 자외선을 흡수하면 분자의 전자가 떨어져 나가기도 합니다. 보다 많은 예시는 아래의 표에서 확인할 수 있습니다.

기기분석 강의에서는 원자 흡수 분광법(Atomic Absorption Spectroscopy, AAS), 원자 방출 분광법(Atomic Emission Spectroscopy, AES), 자외선-가시광선 흡수 분광법(UV-VIS Absorption Spectrometry), 분자 발광 분광법(Molecular Luminescence Spectrometry), 라만 분광법(Raman Spectroscopy), 핵자기 공명 분광법(Nuclear Magnetic Resonance, NMR) Spectroscopy 등 다양한 광학 분석 기법과 분석 장비의 원리에 대해 배웁니다.

B. 질량 분광법

질량 분광법은 고온 저압에서 시료를 기체 상태의 이온으로 만든 후, 질량 분석기(mass analyzer)를 통해 이온들을 질량 대 전하 비(m/z)에 따라 분리하는 방법입니다. 이온 변환기(ion transducer)에서는 이온을 검출하고, 신호를 증폭하는 과정을 거칩니다. 이 과정이 저압에서 진행되는 이유는 이온이 다른 기체 분자와 충돌하는 것을 방지하기 위함입니다. 기기분석 강의에서는 원자 질량 분광법(Atomic Mass Spectrometry, AMS)에 대해 더욱 자세하게 배웁니다.

일반적으로 질량 분광법은 다른 분석 기법과 함께 사용됩니다. 화학 분야에서는 가스 크로마토그래피-질량 분석기(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)의 형태로 가스 크로마토그래피(GC)를 이용하여 혼합물을 분리한 뒤, 특정 물질을 질량 분석기(MS)로 분석합니다. 또한, 여러 원소가 포함된 물질을 분석할 때는 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS)를 사용하여 미량의 원소까지 검출할 수 있습니다.

ICP-MS 로 측정한 실제 데이터

기기분석 과목을 수강하면 기체 이온을 생성하는 방법, 질량 분석기의 종류와 작동 원리, 여러 물질이 하나의 피크에 나타나는 간섭(interference)의 종류 및 이를 다루는 방법 등 실험적인 내용을 배울 수 있습니다.

C. X선 광전자 분광법

X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)은 시료의 표면에 X선을 조사하여 방출되는 전자의 운동에너지를 측정함으로써, 원자와 전자의 결합 에너지(Binding Energy, E_B) 를 계산하는 방법입니다. 결합 에너지는 고체의 표면에서 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지로, 원자의 종류에 따라 달라집니다. 따라서, 결합 에너지를 측정하면 시료 표면의 원자 구성을 알 수 있습니다.

방출된 전자를 검출하기 위해 필요한 최소 에너지를 기기 자체의 일함수(work function, φ) 라고 합니다. 에너지 hf의 전자기파를 시료에 조사할 때 방출되는 전자의 운동에너지가 KE 라면, 다음 식을 통해 결합에너지 E_B를 계산할 수 있습니다.

XPS는 앞서 소개한 분광학 분석법들과 달리 시료를 기화시키지 않으며, 표면에 X선을 조사하여 표면 분석이 가능합니다.

 

2. 선배의 조언

기기분석은 4학년 전공선택 과목이지만, 학부 1학년 수준의 화학 지식만으로도 이해할 수 있는 과목입니다. 편성 자체는 4학년 과목으로 되어 있지만, 3, 4학년들이 많이 수강하며 저는 2학년 2학기에 이 과목을 수강했습니다.

화학 실험 및 연구에서 필수적인 기기들인 NMR, IR, MS, Raman, UV-VIS 분광기 등의 원리를 배울 수 있기 때문에, 실험이나 연구에 관심이 있는 학생들은 2~3학년 때 수강하는 것도 좋습니다. 특히, 화학생물공학부 주전공 학생들이 필수로 수강해야 하는 유기화학 2에서 NMR, IR, MS에 대해 배우며, 시험에서도 spectrum data를 이용해 분자 구조를 맞추는 문제가 출제됩니다. 저는 기기분석과 유기화학 2를 동시에 수강하면서 기기들의 이론적인 디테일을 함께 챙길 수 있어 매우 유익했습니다. 또한, 전공 필수 실험과목인 화학생물기초실험, 화학생물합성실험에서 위 기기들을 자주 사용하므로, 본 과목을 수강하면 실험 데이터를 분석하는 데 큰 도움이 됩니다.

타 학과의 유사 과목으로는 재료공학부 3학년 전공선택 과목인 재료기기분석이 있습니다. 두 과목의 강의 계획서에 명시된 교재 및 참고문헌이 동일하고, 강의 내용 또한 매우 유사하므로 배우는 내용이 비슷할 것으로 예상됩니다.

 

 3. 진로 선택에 도움되는 점

기기분석 과목에서 배우는 기기들은 재료의 특성을 분석하거나 신소재를 개발할 때 널리 사용됩니다. 특히, 화학공학과 재료공학 모두에 활용될 수 있기에 반도체 및 전자재료 산업, 에너지 및 배터리 산업, 환경, 제약 및 생명과학 등의 다양한 분야에서 유용합니다.

반도체 및 전자재료 산업에서는 고순도 물질의 특성 분석과 미세 구조 분석이 필수적입니다. XRD와 XPS는 반도체 웨이퍼의 결정 구조와 표면 분석에 사용되며, 질량 분광법은 불순물 분석에 중요한 역할을 합니다. 이 과목에서 배운 기기분석 기술은 반도체 제조 공정의 품질 관리와 신소재 개발에 직접적으로 적용될 수 있습니다.

에너지 및 배터리 산업에서는 새로운 에너지 저장 소재와 촉매의 개발이 중요합니다. XRD는 배터리 소재의 결정 구조를 분석하는 데 사용되며, NMR과 Raman 분광법은 리튬 이온 배터리와 같은 전지의 화학적 특성을 이해하는 데 도움을 줍니다. 또한, ICP-MS는 미량의 금속 원소를 정량 분석하는 데 유용하여 배터리 성능 및 안정성을 평가하는 데 사용됩니다.

환경 분야에서는 오염 물질의 검출과 모니터링이 중요합니다. AAS와 ICP-MS는 토양, 물, 공기 중의 중금속 농도를 측정하는 데 사용되며, 분광학적 방법들은 다양한 오염 물질의 화학적 성분을 분석하는 데 필수적입니다.

제약 및 생명과학 분야에서는 신약 개발과 생체 분자의 분석이 중요합니다. NMR은 단백질 구조 분석에 널리 사용되며, 질량 분광법은 복잡한 생체 분자의 질량과 구조를 분석하는 데 사용됩니다. 또한, UV-VIS 분광법과 Raman 분광법은 약물의 순도 및 농도를 분석하는 데 필수적입니다. 이 과목에서 배운 기기 분석 기술은 제약 산업에서 품질 관리와 신약 개발에 도움이 될 수 있습니다.

산업 분야	주요 분석 대상	주요 분석 기법
반도체 및 전자재료	고순도 물질의 특성 분석 반도체 미세 구조 분석	XRD, XPS, MS
에너지 및 배터리	배터리 소재 결정 구조 분석 배터리의 성능 및 안정성 분석	XRD, NMR, Raman 분광법
환경	오염 물질의 성분 분석 및 농도 측정	AAS, ICP-MS
제약 및 생명과학	단백질 및 생체 분자의 구조 분석 약물의 순도 및 농도 분석	NMR, UV-VIS 분광법, Raman 분광법

기기분석 과목은 학문적인 연구에도 큰 도움을 줍니다. 분석 기법에 대한 깊은 이해는 다양한 연구 프로젝트에서 필수적이며, 특히 나노재료, 바이오센서, 촉매 연구 등 첨단 과학 분야에서 중요한 역할을 합니다.

결론적으로, 기기분석 과목은 다양한 산업과 연구 분야에서 필수적인 기술을 다루고 있어, 관련 직무와 연구를 준비하는 데 큰 도움이 됩니다. 이 과목에서 배운 분석 기법과 원리들은 실제 산업 현장과 연구실에서 널리 활용될 수 있기에, 여러분의 진로 선택에 있어 도움이 될 것입니다.

 

4. 맺음말

실험 및 연구에서 측정 데이터를 정확하게 분석하는 과정은 필수적입니다. 이 때 기기의 선택, 측정 조건, 데이터 해석 방식에 따라 연구의 가치가 크게 달라집니다. 하지만, 이러한 기술을 경험적으로 습득하는 것은 쉽지 않습니다. 기기분석 과목은 다양한 분석 기법의 원리와 실제 적용 사례를 배울 수 있는 좋은 기회입니다. 이를 통해 단기적으로는 실험 과목 수강에, 장기적으로는 연구나 직무 수행에 큰 도움이 될 것입니다. 4학년 과목이지만 크게 부담을 가질 필요는 없습니다. 분석 장비에 필요한 이론적 지식은 일반화학 수준으로 충분하며, 이론이 실제 기기에서 어떻게 적용되는지를 공학적 관점에서 이해하는 것이 이 과목의 핵심입니다.

결론적으로, 기기분석 과목은 과학적 데이터를 정확히 해석하고 응용할 수 있는 능력을 키워줍니다. 기기분석 과목에서 얻는 지식과 경험은 여러분의 학업과 연구에 큰 도움이 될 것입니다.

 

5. 참고문헌

1. Solid State Chemistry and its Applications - Anthony R. West - Wiley - 2014
2. Principles of Instrumental Analysis - Skoog, Holler, and Crouch - Cengage Learning - 2018