분광기 (分光器, Spectrometer or Spectroscope)

오랜만에 인터넷이 원활히 되는 세상에 있게되어 다시 글을 써봅니다.

 

마침 소형 분광기 센서를 사용한다는 말을 얼핏 듣게되었습니다. 그 분광기 센서에 대하여 조금 찾아보다가 분광기의 정확한 역할을 학생들에게 알려준다면 그 센서의 사용 방법과 방향이 명확해질 것 같다는 생각이 들어 그에 관한 이야기를 시작합니다.

 

분광기는 한자어를 그대로 풀이하면 '빛을 나누는 기기'입니다. 그리고 영어 이름으로 찾아보면 Spectrometer 또는 Spectroscope이라고 표현되는데 그 어원을 찾아보면 Spectro = color, meter는 정량적인 측정, scope은 현미경, 망원경과 같이 한 이미지를 보는 도구 또는 기기를 이야기합니다. 따라서 빛을 나누어서 그 양을 측정하고 이미지화 시키는 장비를 분광기라고 정의합니다.

 

그러면 빛을 어떻게 나누느냐를 이제 생각해봅시다. 무슨 재주로 빛을 나누느냐, 날카로운 칼로 쓰윽~ 하고 베느냐, ...

그건 당연히 아닐 것이고, 빛의 구성과 속성을 이해하면 설명이 쉬워집니다.

 

19세기후반 20세기초에 과학자들은 "빛이 물질이냐 파동이냐?"라는 문제로 오랫동안 논의를 진행했습니다. 그 결과로 양자역학이라는 새로운 학문 분야가 탄생하였고, 아직도 사람들에게 빛의 이중성에 관한 질문을 하면, 정확히 답하는 사람은 그리 많지 않을 것입니다. 하지만... 사실 모든 물질은 파동성을 가집니다. 단지 그 크기가 너무 작아 못느끼는 정도이며, 어느 정도인지를 계산하고 싶으시다면 하이젠버그의 불확정성의 원리를 이용하여 계산해보실 수 있습니다. (이거... 영메이커들을 위한 글을 시작해놓고 이런 소리를 하고 있습니다.)

 

어쨌든 빛을 어떻게 나누느냐라는 이야기로 다시 돌아가서, 빛을 나누는 기준은 빛의 파동성에 초점을 둡니다. 빛은 가지고 있는 파장에 따라서 그 종류가 나눠지며, 파장이 매우 길어 마이크로미터 단위에 해당하는 마이크로파(microwave: 전자렌지에 사용되는 빛입니다.), 그보다 짧지만 보통 분자의 진동운동에 관여하는 것으로 알려진 적외선(InfraRed, IR), 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선(visible light), 고에너지로 살균소독 효과가 탁월한 자외선(UltraViolet, UV), 그리고 그보다 매우 짧은 파장의 X-ray가 있습니다. 설명에서와 같이 긴 파장(마이크로파)에서 짧은 파장(X-ray)로 갈 수록 그 에너지가 증가하여 더 큰 위험도를 가지는 것으로 볼 수 있습니다. 심지어 X-ray보다 더 높은 에너지의 감마선은 헐크를...... 못만듭니다. 쬐지마세요 죽어요.

 

이렇게 빛의 종류는 여러 파장에 따라서 다른 특성을 가지고 있음을 알 수 있습니다. 심지어 가시광선 또한 파장에 따라서 여러 색으로 구분되기도 합니다. 이러한 가시광선과 자외선 적외선의 파장에 따른 흡광, 형광, 그리고 산란에 관한 정보들은 물질의 구성성분을 분석하는 기준이 되기도합니다. 따라서 파장을 기준으로한 빛의 분석은 물리화학 분야의 중요한 기술이 되고, 분광기는 새로운 지역을 조사하는 탐사선에 필수적으로 존재해야할 장비가 되기도합니다.

 

분광기의 원리는 보통 아래의 그림과 같은 마이켈슨 간섭계를 이용하여 빛의 파장에 따른 밝기 정도를 분석하기도하고, 가시광선의 경우 프리즘을 이용하여 나타난 무지개 무늬를 이용하기도 합니다. 하지만, 이러한 방식은 정확하고 안정적인 측정 기술이며, 작은 신호도 검출할 수 있는 특성이 있습니다만, 기기의 크기가 크고 광학 부품의 안정성이 떨어져 이동이 불가능한 단점이 있습니다.

이러한 문제를 극복하는 방법으로 소형 센서를 이용한 분광기의 일반적인 원리는 수학적인 배경에 있습니다. "푸리에 변환"을 이용하는 것입니다만, 이 이름만 보면 수학이나 물리를 전공하지 않은 보통 이공계 학생들이 책을 덮고 놀러가려는 반응을 보이기도합니다. 하지만, 수학적인 증명과 내용을 모두 생략하고, 하나의 도구로써 푸리에 변환을 받아들이면, 밝기-시간 그래프를 밝기-주파수 그래프로 바꿔주는 과정입니다. 물론 그 반대의 과정도 가능합니다. 따라서, 시간에 따른 빛의 밝기 신호를 받아들인 다음에 그 신호를 파장(주파수)에 따른 성분 비율로 표현해주면, 각 파장에 따른 밝기를 측정해줄 수 있고, 복잡한 광학장비 없이도 쉽게 파장에 따른 신호를 검출할 수 있는 장점이 있습니다.

 

이러한 소형 전자 장비는 보통 추가적인 광학장비의 구성이 되어있지 않기 때문에, 여러가지 종류의 바탕 잡음을 최소화하는 추가적인 노력을 해주어야하며, 그렇지 않은 경우, 모든 파장 영역에서의 바탕 잡음 신호가 크게 검출되어 원하는 신호를 측정하기 힘든 그러한 한계점이 있습니다.

 

작성자: 독일호박