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분광학

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목차

1. 개요

분광학은 빛을 파장에 따라 분산시킨 스펙트럼을 연구하는 학문으로, 아이작 뉴턴의 광학 실험에서 시작되었다. 18~19세기에 물리학에서 스펙트럼 연구 분야로 확립되었으며, 빛의 방출 또는 흡수를 연구하는 방법으로 발전했다. 현대에는 전자기파뿐만 아니라 다양한 에너지원의 스펙트럼을 연구하며, 양자역학적 개념을 도입하여 질량 스펙트럼, 음향 스펙트럼 등 다양한 분야로 확장되었다. 분광학은 전자기파의 파장 영역, 측정 원리, 분석 대상 등에 따라 여러 종류로 분류되며, 의학, 물리학, 화학, 천문학 등 다양한 분야에서 시료의 원자 구조 결정, 우주 탐사, 산업 공정 제어 등 광범위하게 활용된다.

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분광학
개요
정의물질과 전자기 복사 사이의 상호 작용을 연구하는 학문 분야
응용 분야천문학
의학
재료 과학
기타 다양한 분야
분광학의 기본 원리
기본 원리물질이 특정 파장의 빛을 흡수하거나 방출하는 현상을 분석
스펙트럼 분석물질의 종류와 양을 정량적으로 분석 가능
분광학의 종류
전자기파 분광학자외선-가시광선 분광학 (UV-Vis)
적외선 분광법 (IR)
핵자기 공명 분광법 (NMR)
전자 스핀 공명 분광법 (ESR)
질량 분광학물질의 질량 대 전하 비율을 측정하여 분석
기타 분광학광음향 분광학
라만 분광학
X선 분광학
분광학의 역사
역사아이작 뉴턴의 프리즘 실험으로 시작
19세기 구스타프 키르히호프와 로베르트 분젠에 의해 발전
분광학 관련 용어
스펙트럼물질이 흡수하거나 방출하는 전자기파의 패턴
흡수 스펙트럼물질이 특정 파장의 빛을 흡수하여 나타나는 스펙트럼
방출 스펙트럼물질이 특정 파장의 빛을 방출하여 나타나는 스펙트럼
파장전자기파의 길이
진동수전자기파의 진동 횟수
분광학의 응용
화학물질의 구조 분석
반응 메커니즘 연구
생물학단백질, DNA 등 생체 분자 분석
의학질병 진단
약물 개발
천문학별의 구성 성분 분석
우주의 기원 연구

2. 역사

분광학(spectroscopy)이라는 용어는 원래 빛을 프리즘이나 회절격자를 이용하여 파장에 따라 분산시킨 것을 스펙트럼(spectrum)이라고 부른 데서 유래한다. 초기에는 가시광선의 방출 또는 흡수를 연구하는 분야였다.

19세기 이후, 빛(가시광선)이 전자기파의 일종임이 밝혀지면서 라디오파부터 감마선(γ선)까지 넓은 범위의 전자기파 방출 또는 흡수를 측정하는 방법을 분광법이라고 부르게 되었다. 빛의 발생 또는 흡수 스펙트럼은 물질 고유의 패턴과 물질량에 비례하는 피크 강도를 나타내기 때문에, 분석화학에서 천문학까지 물질의 정성 또는 정량 분석에 널리 응용되고 있다.

양자역학의 발전에 따라 광자의 흡수 또는 방출은 불연속적인 에너지 상태(에너지 준위)와 대응한다는 것이 알려졌다. 본래 의미의 "스펙트럼"과는 다르게, "질량 스펙트럼"이나 "음향 스펙트럼" 등 불연속적인 에너지 상태를 나타낸 측정 차트도 '스펙트럼'이라고 불리게 되었다. 오늘날 광의의 '분광법'은 "스펙트럼"을 사용하여 물성을 측정하거나 물질을 동정·정량하는 기법 일반의 총칭이 되고 있다.[39]

2. 1. 분광학의 기원

분광학은 아이작 뉴턴이 프리즘으로 빛을 분리하면서 시작되었는데, 이는 현대 광학 발전의 중요한 순간이었다.[4] 원래 분광학은 우리가 색(color)이라고 부르는 가시광선의 연구였지만, 제임스 클럭 맥스웰의 연구를 통해 전체 전자기 스펙트럼을 포함하게 되었다.[5] 색은 분광학에 관련되어 있지만, 특정 전자기파의 흡수와 반사를 통해 물체에 색깔을 부여하는 원소나 물체의 색깔과 동일시되지 않는다. 분광학은 프리즘, 회절격자 또는 유사한 장치에 의해 빛을 분리하여 각기 다른 원소마다 고유한 "스펙트럼"이라고 불리는 특정한 불연속 선 패턴을 생성하는 것을 포함한다.

18세기부터 19세기의 물리학에서 스펙트럼을 연구하는 분야로서 분광학이 확립되었고, 그 원리에 기반한 측정법도 '''분광법'''(spectroscopy)이라고 불렸다. 프리즘은 1704년 "광학"에서 처음 소개되었고, 태양광의 암선(프라운호퍼 선)은 윌리엄 월러스턴에 의해 1802년에 처음 보고되었다.[39]

초기에는 가시광선의 방출 또는 흡수를 연구하는 분야였지만, 빛(가시광선)이 전자기파의 일종임이 밝혀진 19세기 이후로는 라디오파부터 감마선(γ선)까지 넓은 범위의 전자기파의 방출 또는 흡수를 측정하는 방법을 분광법이라고 부르게 되었다.

2. 2. 19세기: 분광학의 발전과 전자기 스펙트럼의 이해

아이작 뉴턴의 광학 실험(1666~1672)에서 시작된 분광학은 19세기에 요제프 폰 프라운호퍼가 분산 분광기를 사용하면서 더욱 정밀하고 정량적인 과학 기술로 발전했다.[38] 프라운호퍼는 태양 스펙트럼에서 약 600개의 어두운 선(프라운호퍼 선 또는 흡수선)을 발견했는데,[38] 이는 1802년 윌리엄 하이드 윌러스턴이 발견한 태양 스펙트럼의 어두운 띠를 더 자세히 관찰한 결과였다.[38]

19세기에는 제임스 클럭 맥스웰의 연구를 통해 빛이 전자기파의 일종임이 밝혀지면서,[5] 분광학은 라디오파부터 감마선(γ선)까지 넓은 범위의 전자기파를 다루는 학문으로 확장되었다. 이러한 전자기파의 방출 또는 흡수 스펙트럼은 물질 고유의 패턴과 세기를 나타내기 때문에, 분석화학에서 천문학까지 물질 분석에 널리 응용되고 있다.

2. 3. 20세기 이후: 양자역학과 현대 분광학

분광학 연구는 양자역학 발전에 중추적인 역할을 했다. 최초의 유용한 원자 모델(보어 모델, 슈뢰딩거 방정식 및 행렬 역학 포함)이 수소의 스펙트럼을 설명했기 때문이다. 이 모든 것은 수소의 스펙트럼 선을 생성하여 불연속적인 수소 스펙트럼과 일치하는 불연속적인 양자 도약의 기초를 제공한다.[10] 또한 막스 플랑크의 흑체 복사에 대한 설명은 광도계를 사용하여 빛의 파장을 흑체의 온도와 비교했기 때문에 분광학을 포함했다.[10]

19세기 이후, 빛(가시광선)이 전자기파의 일종임이 밝혀지면서, 분광법은 라디오파부터 감마선(γ선)까지 넓은 범위의 전자기파 방출 또는 흡수를 측정하는 방법으로 확장되었다. 또한, 광자의 흡수 또는 방출은 양자역학에 기반하여 나타나며, 스펙트럼은 불연속적인 에너지 상태(에너지 준위)와 대응한다는 것이 널리 알려지게 되었다.

원래 의미의 "스펙트럼"과는 다르게, "질량 스펙트럼"이나 "음향 스펙트럼" 등 불연속적인 에너지 상태를 나타낸 측정 차트도 '스펙트럼'이라고 불리게 되었다. 또한 "질량 스펙트럼" 등은 물질의 정성 분석에 사용되기 때문에, 오늘날 광의의 '분광법'은 "스펙트럼"을 사용하여 물성을 측정하거나 물질을 동정·정량하는 기법 일반의 총칭이 되고 있다.

3. 이론

분광학은 전자기파의 스펙트럼을 파장이나 주파수의 함수로 측정하여 물질의 구조와 특성에 대한 정보를 얻는 과학 분야이다.[3] 스펙트럼 측정 장치는 분광계, 분광광도계, 분광기 또는 스펙트럼 분석기라고 불린다.

분광학은 아이작 뉴턴이 프리즘으로 빛을 분리하면서 시작되었는데, 이는 현대 광학 발전의 중요한 순간이었다.[4] 처음에는 색깔, 즉 가시광선의 연구였지만, 제임스 클럭 맥스웰의 연구를 통해 전체 전자기 스펙트럼을 포함하게 되었다.[5] 분광학은 프리즘, 회절격자 등을 통해 빛을 분리하여 각 원소마다 고유한 "스펙트럼"을 생성한다. 대부분의 원소는 기체 상태에서 스펙트럼을 검사할 수 있지만, 다른 상태에 대해서도 다른 방법을 사용할 수 있다. 각 원소는 냉각되거나 가열되는지에 따라 흡수 스펙트럼 또는 방출 스펙트럼을 나타낸다.[6]

최근까지 대부분의 분광학은 선 스펙트럼 연구를 포함했다.[7] 진동 분광학은 스펙트럼을 연구하는 분광학의 한 분야이다.[8] 그러나 최신 분광학의 발전은 때때로 분산 기술을 생략할 수 있다. 생화학 분광학에서는 흡수 및 광 산란 기술을 통해 생체 조직에 대한 정보를 수집할 수 있다. 광 산란 분광학은 탄성 산란을 검사하여 조직 구조를 결정하는 일종의 반사 분광학이다.[9]

분광학 연구는 양자 역학 발전에 중요한 역할을 했다. 최초의 유용한 원자 모델(보어 모델, 슈뢰딩거 방정식 및 행렬 역학 포함)은 수소의 스펙트럼을 설명했으며, 이는 불연속적인 수소 스펙트럼과 일치하는 불연속적인 양자 도약의 기초를 제공한다. 또한 막스 플랑크의 흑체 복사에 대한 설명은 광도계를 사용하여 빛의 파장을 흑체의 온도와 비교했기 때문에 분광학을 포함했다.[10]

분광학은 원자와 분자가 고유한 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 물리화학 및 분석화학에 사용된다. 이러한 스펙트럼은 원자와 분자에 대한 정보를 검출, 식별 및 정량화하는 데 사용될 수 있다. 분광학은 또한 천문학 및 지구 원격 탐사에 사용된다. 대부분의 연구용 망원경에는 분광기가 있다. 측정된 스펙트럼은 천체의 화학적 조성과 물리적 특성을 결정하는 데 사용된다.[11] 분광학의 중요한 용도는 생화학으로, 분자 시료는 종 식별 및 에너지 함량을 분석할 수 있다.[12]

분광학의 기본 전제는 빛이 서로 다른 파장으로 구성되어 있으며 각 파장은 서로 다른 주파수에 해당한다는 것이다. 주기율표에 있는 모든 원소는 고유한 빛 스펙트럼을 가지고 있으며, 이는 원소가 방출하거나 흡수하는 빛의 주파수에 의해 설명되고, 그 빛이 회절될 때 전자기 스펙트럼의 동일한 부분에 일관되게 나타난다. 미국 표준 기술 연구소는 정밀 측정 결과로 지속적으로 업데이트되는 공개 원자 스펙트럼 데이터베이스를 유지 관리한다.[13]

분광학 분야의 확장은 적외선에서 자외선까지 전자기 스펙트럼의 어떤 부분이든 동일한 시료에 대해 과학자들에게 서로 다른 특성을 알려주는 시료 분석에 사용될 수 있다는 사실 때문이다. 예를 들어 화학 분석에서 가장 일반적인 분광법에는 원자 분광법, 적외선 분광법, 자외선 및 가시광선 분광법, 라만 분광법, 핵자기 공명 분광법이 포함된다.[14] 핵자기 공명(NMR)에서 그 이면의 이론은 주파수가 공명 및 그에 해당하는 공명 주파수와 유사하다는 것이다. 주파수에 의한 공명은 진자와 같이 운동 주파수가 갈릴레이에 의해 유명하게 기록된 기계 시스템에서 처음 특징 지어졌다.[15]

양자 역학적 시스템에서 유사한 공명은 원자와 같이 하나의 시스템의 두 개의 양자 역학적 정상 상태를 광자와 같은 에너지의 진동 소스를 통해 결합하는 것이다. 전자와 중성자와 같은 입자는 운동 에너지와 파장 및 진동수 사이에 비슷한 관계인 드브로이 관계를 가지므로 공명 상호 작용을 여기시킬 수도 있다.

원자와 분자의 스펙트럼은 종종 일련의 스펙트럼 선으로 구성되며, 각 선은 두 개의 서로 다른 양자 상태 간의 공명을 나타낸다. 이러한 계열과 이와 관련된 스펙트럼 패턴에 대한 설명은 양자 역학의 발전과 수용을 주도한 실험적 수수께끼 중 하나였다. 특히 수소 스펙트럼 계열은 러더퍼드-보어 양자 모형에 의해 처음으로 성공적으로 설명되었다. 어떤 경우에는 스펙트럼 선이 잘 분리되어 구별 가능하지만, 에너지 상태 밀도가 충분히 높으면 스펙트럼 선이 겹쳐 단일 전이로 나타날 수도 있다. 명명된 선 계열에는 주 계열, 예리 계열, 확산 계열 및 기본 계열이 포함된다.

4. 측정 장치

분광학적 측정 장치는 분광계, 분광광도계, 분광기 또는 스펙트럼 분석기라고 불린다.[3] 실험실에서 대부분의 분광 분석은 분석할 시료에서 시작하여, 원하는 빛 스펙트럼 범위에서 광원을 선택하고, 빛이 시료를 통과하여 분산 배열(회절격자 장치)을 거쳐 광다이오드에 포착된다. 천문학적 목적을 위해서는 망원경에 빛 분산 장치를 장착해야 한다.[3]

분광부와 검출부의 구조는 분광 대상으로 하는 파장에 따라 크게 다르다. 파장이 긴 전파 등에서는, 먼저 강도의 시간 변화를 측정한 후 푸리에 변환을 통해 주파수별 스펙트럼을 얻는다.

4. 1. 광원

분광법의 측정 장치는 크게 광원, 시료, 분광기, 검출기로 구성된다. 천문학 등의 경우 광원과 시료는 장치 내에 내장할 수 없지만, 이화학적인 분광 측정 장치는 이 네 가지로 구성된다.

광원은 전자파의 파장에 따라 다양한 물리 현상과 장치가 이용된다. NMR 등의 라디오파는 루프 코일에서, 적외·가시·자외광은 제논램프나 할로겐램프, 중수소램프 등에서, X선은 열 텅스텐 타겟이나 싱크로트론방사광 장치에서 발생시킨다.[1]

4. 2. 시료

분광학에서 시료는 일반적으로 분광 광학 셀 또는 큐벳이라고 하는 시료 용기에 담아 관찰된다.[3]

셀은 관찰하는 파장의 전자파를 흡수하거나 간섭하지 않는 재질이어야 하지만, 모든 파장에 투명한 소재는 존재하지 않으므로, 분광 장치의 파장에 따라 다양한 재질로 제작된다. 예를 들어, 감마선이나 경 X선에서는 베릴륨 박판이 이용되고, 자외선에서는 석영 셀, 적외선에서는 KBr 셀이나 NaCl 셀이 이용된다.[3]

4. 3. 분광기

스펙트럼 측정 장치는 분광계, 분광광도계, 분광기 또는 스펙트럼 분석기라고 불린다.[3] 실험실에서 대부분의 분광 분석은 분석할 시료에서 시작하여, 원하는 빛 스펙트럼 범위에서 광원을 선택하고, 빛이 시료를 통과하여 분산 배열(회절격자 장치)을 거쳐 광다이오드에 포착된다. 천문학적 목적을 위해서는 망원경에 빛 분산 장치를 장착해야 한다.[3]

분광법의 측정 장치는 크게 광원, 시료, 분광기, 검출기로 구성된다. 천문학 등의 경우 광원과 시료는 장치 내에 내장할 수 없지만, 이화학적인 분광 측정 장치는 이 네 가지로 구성된다.

광원은 전자파의 파장에 따라 다양한 물리 현상과 장치가 이용된다. NMR 등의 라디오파는 루프 코일에서, 적외·가시·자외광은 제논램프나 할로겐램프, 중수소램프 등에서, X선은 열 텅스텐 타겟이나 싱크로트론방사광 장치에서 발생시킨다.

시료는 일반적으로 분광 광학 셀 또는 큐벳이라고 하는 시료 용기에 담아 관찰된다. 셀은 관찰하는 파장의 전자파를 흡수하거나 간섭하지 않는 재질이어야 하지만, 모든 파장에 투명한 소재는 존재하지 않으므로, 분광 장치의 파장에 따라 다양한 재질로 제작된다. 예를 들어, 감마선이나 경 X선에서는 베릴륨 박판이 이용되고, 자외선에서는 석영 셀, 적외선에서는 KBr 셀이나 NaCl 셀이 이용된다.

분광부와 검출부의 구조는 분광 대상으로 하는 파장에 따라 크게 다르다. 파장이 긴 전파 등에서는, 먼저 강도의 시간 변화를 측정한 후 푸리에 변환을 통해 주파수별 스펙트럼을 얻는다. 검출기는 수신기라고도 불리며, 안테나나 전기 회로로 구성된다.

파장이 짧은 빛 등에서는, 미리 회절격자나 프리즘, 슬릿으로 파장을 선별한 후 검출기에 유도하여 에너지량을 검출한다. 이 파장 선별·에너지 측정을 반복함으로써 스펙트럼을 얻을 수 있다. 최근에는 회절격자 등으로 공간적으로 분광한 빛을, 여러 개의 소자를 나란히 배열한 형태의 다이오드 어레이라고 하는 검출기에 한꺼번에 도입함으로써, 동시에 여러 파장을 측정하는 것도 가능해졌다. 검출에는 측정하는 파장에 적합한 밴드갭을 가진 반도체가 사용된다. X선의 경우, 비례계수관이나 CCD 카메라, 광전자증배관 등이 이용된다.

전자 분광이나 질량 분석에서는, 광학소자 대신 전자기장을 사용하여 에너지별로 분리한다. 검출기는 고전압을 인가한 전극이 이용되고, 하전 입자가 도달하면 전류가 발생하는 것을 이용하여 검출한다.

4. 4. 검출기

분광법의 측정 장치는 크게 광원, 시료, 분광기, 검출기로 구성된다. 이화학적인 분광 측정 장치는 이 네 가지로 구성된다.

파장이 짧은 빛의 경우, 회절격자나 프리즘, 슬릿으로 파장을 선별한 후 검출기에 유도하여 에너지량을 검출한다. 이 파장 선별·에너지 측정을 반복함으로써 스펙트럼을 얻는다. 최근에는 회절격자 등으로 공간적으로 분광한 빛을, 여러 개의 소자를 나란히 배열한 형태의 다이오드 어레이라고 하는 검출기에 한꺼번에 도입함으로써, 동시에 여러 파장을 측정하는 것도 가능해졌다. 검출에는 측정하는 파장에 적합한 밴드갭을 가진 반도체가 사용된다. X선의 경우, 비례계수관이나 CCD 카메라, 광전자증배관 등이 이용된다.[3]

전자 분광이나 질량 분석에서는, 광학소자 대신 전자기장을 사용하여 에너지별로 분리한다. 검출기는 고전압을 인가한 전극이 이용되고, 하전 입자가 도달하면 전류가 발생하는 것을 이용하여 검출한다.

4. 5. 기타

분광법의 측정 장치는 크게 광원, 시료, 분광기, 검출기로 구성된다. 천문학 등의 경우 광원과 시료를 장치 내에 내장할 수 없지만, 이화학적인 분광 측정 장치는 이 네 가지로 구성된다.

광원은 전자파의 파장에 따라 다양한 물리 현상과 장치가 이용된다. NMR 등의 라디오파는 루프 코일에서, 적외·가시·자외광은 제논램프나 할로겐램프, 중수소램프 등에서, X선은 열 텅스텐 타겟이나 싱크로트론방사광 장치에서 발생시킨다.

시료는 일반적으로 분광 광학 셀 또는 큐벳이라고 하는 시료 용기에 담아 관찰된다. 셀은 관찰하는 파장의 전자파를 흡수하거나 간섭하지 않는 재질이어야 하지만, 모든 파장에 투명한 소재는 존재하지 않으므로, 분광 장치의 파장에 따라 다양한 재질로 제작된다. 예를 들어, 감마선이나 경 X선에서는 베릴륨 박판이 이용되고, 자외선에서는 석영 셀, 적외선에서는 KBr 셀이나 NaCl 셀이 이용된다.

분광부와 검출부의 구조는 분광 대상으로 하는 파장에 따라 크게 다르다. 파장이 긴 전파 등에서는, 먼저 강도의 시간 변화를 측정한 후 푸리에 변환을 통해 주파수별 스펙트럼을 얻는다. 검출기는 수신기라고도 불리며, 안테나나 전기 회로로 구성된다.

파장이 짧은 빛 등에서는, 미리 회절격자나 프리즘, 슬릿으로 파장을 선별한 후 검출기에 유도하여 에너지량을 검출한다. 이 파장 선별·에너지 측정을 반복함으로써 스펙트럼을 얻을 수 있다. 최근에는 회절격자 등으로 공간적으로 분광한 빛을, 여러 개의 소자를 나란히 배열한 형태의 다이오드 어레이라고 하는 검출기에 한꺼번에 도입함으로써, 동시에 여러 파장을 측정하는 것도 가능해졌다. 검출에는 측정하는 파장에 적합한 밴드갭을 가진 반도체가 사용된다. X선의 경우, 비례계수관이나 CCD 카메라, 광전자증배관 등이 이용된다.

전자 분광이나 질량 분석에서는, 광학소자 대신 전자기장을 사용하여 에너지별로 분리한다. 검출기는 고전압을 인가한 전극이 이용되고, 하전 입자가 도달하면 전류가 발생하는 것을 이용하여 검출한다.

5. 분광학적 분석법의 종류

분광학은 매우 광범위한 분야이며, 다양한 세부 분야와 특정 기술들이 존재한다. 이러한 다양성은 여러 기준으로 분류될 수 있다.

분광학적 분석법은 크게 다음과 같이 분류할 수 있다.

분류 기준종류
전자기파의 파장 영역에 따른 분류마이크로파, 테라헤르츠, 적외선, 근적외선, 자외선-가시광선, X선, 감마선 분광법
측정 원리에 따른 분류흡수 분광법, 방출 분광법, 탄성 산란 및 반사 분광법, 임피던스 분광법, 비탄성 산란 현상, 결맞음 또는 공명 분광법, 핵 분광법, 양자 논리 분광법
분석 대상에 따른 분류핵자기공명법 (NMR), EPR 분광법 (EPR), 적외선 분광법 (IR), 라만 분광법 (Raman), X-선 분광법 (XRF), 감마선 분광법, 자외선-가시광선 분광법 (UV-Vis), 근적외선 분광법 (NIR), 오제 전자분광법 (AES), X-선 광전자분광법 (XPS), 테라헤르츠파 분광법 (THz TDS), 원소분광법 (AAS), 유도플라즈마분광법 (ICP-AES), 타원 편광 분광법 (SE), 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)



측정 원리에 따른 분류에는 흡수, 방출, 산란, 임피던스, 결맞음(coherence) 등 다양한 물리 현상을 이용하는 방법들이 있다. 분석 대상에 따라서는 원자, 분자, 핵 등 다양한 수준에서 물질의 특성을 연구하는 방법들이 포함된다.

광의의 분광법은 “스펙트럼”을 사용하여 물성을 측정하거나 물질을 동정·정량하는 기법 일반을 총칭한다. 따라서, 광전자 분광법이나 질량 분석법처럼 전자나 이온, 중성자 등 입자의 운동 에너지를 측정하는 방법도 넓은 의미에서 분광법에 분류된다.

화학 반응 분석에는 측정하는 물리량이 시간에 따라 변화하는 것을 측정하는 시간 분해 분광이 사용된다. 세포 내 물질 분포나 재료의 원소 분포 등 2차원 또는 3차원적으로 분광하는 방법은 공간 분해 분광이라고 불리며, 분광법과 현미경을 조합하여 측정한다.

이 외에도, 광음향 분광법 등의 광열 분광법, 음향광학 분광계(AOS) 등이 있다.

5. 1. 전자기파의 파장 영역에 따른 분류

전자기파는 분광 연구에 사용된 최초의 에너지원이었다. 전자기파를 사용하는 기술은 일반적으로 스펙트럼의 파장 영역에 따라 분류된다.[3] 전자기파의 파장 영역에 따른 분광학의 종류는 다음과 같다.

가장 일반적인 분광법은 전자기파를 측정하는 방법이지만, 사용하는 전자기파의 파장 영역에 따라 관측할 수 있는 현상과 사용하는 실험 장치가 크게 달라진다.[3] 따라서 검출되는 전자기파의 파장 영역에 따른 분류가 자주 이루어진다. 예를 들어 분자의 경우, 가시광선·자외선에서는 전자 상태, 적외선에서는 진동 상태, 마이크로파에서는 회전 상태를 관측할 수 있으며, 각각 가시광선·자외선 분광, 적외선 분광, 마이크로파 분광이라고 불린다.

5. 2. 측정 원리에 따른 분류

분광법의 종류는 에너지와 물질 간 상호 작용의 특성에 따라 구분할 수 있다. 이러한 상호 작용에는 다음이 포함된다.[17]

  • 흡수 분광법: 방사선원의 에너지가 물질에 흡수될 때 발생한다. 물질을 통과하는 에너지의 일부를 측정하여 흡수를 결정하며, 흡수는 투과되는 부분을 감소시킨다.
  • 방출 분광법: 물질에 의해 방사 에너지가 방출됨을 나타낸다. 물질의 흑체 스펙트럼은 온도에 의해 결정되는 자발적 방출 스펙트럼이다. 이러한 특징은 대기 방출 복사 간섭계와 같은 기기로 적외선 영역에서 측정할 수 있다.[18] 방출은 화염, 스파크, 전기 아크 또는 형광의 경우 전자기 방사선과 같은 다른 에너지원에 의해 유도될 수도 있다.
  • 탄성 산란 및 반사 분광법: 입사 방사선이 물질에 의해 어떻게 반사되거나 산란되는지 결정한다. 결정학은 단백질과 고체 결정에서 원자의 배열을 조사하기 위해 X선 및 전자와 같은 고에너지 방사선의 산란을 이용한다.
  • 임피던스 분광법: 매질이 에너지의 투과를 방해하거나 느리게 하는 능력이다. 광학 응용 분야의 경우, 이것은 굴절률로 특징지어진다.
  • 비탄성 산란 현상: 방사선과 물질 사이의 에너지 교환을 포함하며, 이는 산란된 방사선의 파장을 이동시킨다. 여기에는 라만 산란과 콤프턴 산란이 포함된다.
  • 결맞음 또는 공명 분광법: 방사 에너지가 방사장에 의해 유지되는 결맞음 상호 작용에서 물질의 두 양자 상태를 결합하는 기술이다. 결맞음은 입자 충돌 및 에너지 전달과 같은 다른 상호 작용에 의해 방해될 수 있으므로 종종 지속적인 고강도 방사선이 필요하다. 핵자기 공명(NMR) 분광법은 널리 사용되는 공명 방법이며, 초고속 레이저 분광법 또한 적외선 및 가시광선 영역에서 가능하다.
  • 핵 분광법: 특정 핵의 특성을 사용하여 물질, 주로 응축 물질, 액체 또는 냉각된 액체의 분자 및 생체 분자의 국소 구조를 조사하는 방법이다.
  • 양자 논리 분광법: 이온 트랩에서 사용되는 일반적인 기술로, 레이저 냉각, 상태 조작 및 검출을 배제하는 내부 구조를 가진 이온의 정밀 분광법을 가능하게 한다. 양자 논리 연산을 통해 제어 가능한 이온이 복잡하거나 알 수 없는 전자 구조를 가진 공동 포획 이온과 정보를 교환할 수 있다.


가장 일반적인 분광법은 전자기파를 측정하는 방법이지만, 사용하는 전자기파의 파장 영역에 따라 관측할 수 있는 현상과 사용하는 실험 장치가 크게 달라지므로, 검출되는 전자기파의 파장 영역에 따른 분류가 자주 이루어진다. 또한, 측정되는 물리량(흡수, 발광, 빛 산란 등), 분광법의 원리, 분광하는 목적 등에 따라 세세하게 분류된다. 예를 들어 분자의 경우, 가시광선·자외선에서는 전자 상태가, 적외선에서는 진동 상태가, 마이크로파에서는 회전 상태를 관측할 수 있으며, 각각 가시광선·자외선 분광, 적외선 분광, 마이크로파 분광이라고 불린다. 이처럼 파장 영역만을 지정하여 ○○분광(예: 적외선 분광)이라고 할 때는 그 파장 영역에서의 흡수 분광을 가리키는 경우가 많다.

이 외에도 다음과 같은 측정 원리에 따른 분광법들이 있다.

  • 핵자기공명법 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance)
  • EPR 분광법 (EPR: Electron Paramagnetic Resonance)
  • 적외선 분광법 (IR: Infrared Spectroscopy)
  • 라만 분광법 (Raman: Raman Spectroscopy)
  • X-선 분광법 (XRF: X-ray spectroscopy)
  • 감마선 분광법 (Gamma Spectroscopy)
  • 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy)
  • 근적외선 분광법 (NIR: Near Infrared Spectroscopy)
  • Auger 전자분광법 (AES: Auger Electron Spectroscopy)
  • X-선 광전자분광법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)
  • 테라헤르츠파 분광법 (THz TDS: Terahertz Time Domain Spectroscopy)
  • 원소분광법 (AAS: Atomic Absorption Spectroscopy)
  • 유도플라즈마분광법 (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectroscopy)
  • 타원 편광 분광법 (SE : Spectroscopic Ellipsometry)


분광학 현미경은 진동 이미징(Vibrational Imaging)이라고도 불리며, 다음을 포함한다.

  • 라만분광학 현미경 (CARS Imaging: Coherent Antistoke Raman Scattering)
  • 적외선분광학 현미경

5. 3. 분석 대상에 따른 분류


  • 핵자기공명법 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance)
  • EPR 분광법 (EPR: Electron Paramagnetic Resonance)
  • 적외선 분광법 (IR: Infrared Spectroscopy)
  • 라만 분광법 (Raman: Raman Spectroscopy)
  • X-선 분광법 (XRF: X-ray spectroscopy)
  • 감마선 분광법 (Gamma Spectroscopy)
  • 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis: Ultraviolet/Visible Spectroscopy)
  • 근적외선 분광법 (NIR: Near Infrared Spectroscopy)
  • Auger 전자분광법 (AES: Auger Electron Spectroscopy)
  • X-선 광전자분광법 (XPS: X-ray Photoelectron Spectroscopy)
  • 테라헤르츠파 분광법 (THz TDS: Terahertz Time Domain Spectroscopy)
  • 원소분광법 (AAS: Atomic Absorption Spectroscopy)
  • 유도플라즈마분광법 (ICP-AES: Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectroscopy)
  • 타원 편광 분광법 (SE : Spectroscopic Ellipsometry)

5. 4. 기타 분광법


  • 핵자기공명법 (NMR)
  • EPR 분광법 (EPR)
  • 적외선 분광법 (IR)
  • 라만 분광법 (Raman)
  • X-선 분광법 (XRF)
  • 감마선 분광법
  • 자외선, 가시광선 분광법 (UV-Vis)
  • 근적외선 분광법 (NIR)
  • Auger 전자분광법 (AES)
  • X-선 광전자분광법 (XPS)
  • 테라헤르츠파 분광법 (THz TDS)
  • 원소분광법 (AAS)
  • 유도플라즈마분광법 (ICP-AES)
  • 타원 편광 분광법 (SE)

  • 분광학 현미경 (Vibrational Imaging)
  • * 라만분광학 현미경 (CARS Imaging)
  • * 적외선분광학 현미경

6. 응용 분야

분광학은 다양한 분야에서 널리 응용된다.


  • 물질의 구조와 특성 연구:
  • 시료의 원자 구조를 결정한다.[32]
  • X선 형광을 이용해 비파괴 방식으로 원소를 분석한다.
  • 다양한 분광기를 이용해 전자 구조를 연구한다.

  • 천문학 및 우주 탐사:
  • 태양과 먼 은하의 스펙트럼 방출선을 연구한다.[33]
  • 우주 탐사에 활용된다.
  • 적색편이를 이용해 먼 물체의 속도 및 속력을 결정한다.
  • 상대론적 도플러 효과를 이용해 먼 별 또는 인근 외계 행성의 물리적 특성을 규명한다.[35]
  • UVES는 초거대 망원경에 장착된 고분해능 분광기이다.

  • 의학:
  • 혈액 샘플에서 유독 화합물을 측정한다.
  • 근육의 대사 구조를 결정한다.
  • 단백질 특성을 분석한다.
  • 병원에서 호흡 가스 분석에 사용된다.[6]
  • 약물의 구조 변경을 통한 효능 개선에 활용된다.

  • 환경 및 농업:
  • 담수 및 해양 생태계에서 용존 산소량을 모니터링한다.
  • 광섬유를 사용한 복합재료의 경화 모니터링에 활용된다.
  • 근적외선 분광법을 이용해 풍화된 목재 노출 시간을 추정한다.[34]
  • 가시광선 및 적외선 스펙트럼에서 흡광 분광법을 이용해 식품 샘플링에서 다양한 화합물을 측정한다.

  • 기타:
  • 달걀 속 성감별: 분광법을 통해 부화 중인 달걀의 성별을 확인할 수 있다. 프랑스와 독일 회사가 개발했으며, 두 국가 모두 2022년에 주로 분쇄기를 이용한 병아리 폐기(병아리 살처분)를 금지하기로 결정했다.[36]
  • 산업 공정 제어에서의 공정 모니터링[37]


분광학의 다양한 응용 분야는 다음과 같이 특수 과학 하위 분야로 세분화되기도 한다.

  • 음향 공진 분광법
  • 오거 전자 분광법
  • 공진기 붕괴 분광법
  • 원형 이색성 분광법
  • 코히어런트 반스톡스 라만 분광법[23]
  • 냉증기 원자 형광 분광법
  • 상관 분광법
  • 심준위 과도 분광법
  • 유전 분광법
  • 이중 편광 간섭법
  • 투과 전자 현미경의 전자 에너지 손실 분광법
  • 전자 현상론적 분광법
  • 전자 상자성 공명 분광법
  • 힘 분광법
  • 푸리에 변환 분광법
  • 감마선 분광법
  • 하드론 분광법
  • 다중 스펙트럼 이미징 및 초분광 이미징
  • 비탄성 전자 터널링 분광법
  • 비탄성 중성자 산란
  • 레이저 유도 브레이크다운 분광법
  • 레이저 분광법
  • 빛 산란 분광법[9][26]
  • 질량 분광법
  • 뫼스바우어 분광법
  • 다변량 광학 컴퓨팅
  • 중성자 스핀 에코 분광법
  • 핵 사중극 공명
  • 교란 각 상관
  • 광음향 분광법
  • 광전자 방출 분광법
  • 광열 분광법
  • 펌프-프로브 분광법
  • 라만 광학 활성 분광법
  • 라만 분광법
  • 포화 분광법
  • 주사 터널링 분광법
  • 분광 광도법
  • 스핀 잡음 분광법[28]
  • 시간 분해 분광법
  • 시간 스트레칭 분광법[29][30]
  • 열 적외선 분광법
  • 과도 격자 분광법
  • 자외선 광전자 분광법
  • 자외선-가시광선 분광법
  • 진동 원형 이색성 분광법
  • 비디오 분광법
  • X선 광전자 분광법

참조

[1] 서적 Foundations of Spectroscopy Oxford Science Publications
[2] 서적 Einstein's Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy https://www.degruyte[...] Yale University Press 2023-05-22
[3] 서적 The Oxford American College Dictionary https://books.google[...] G.P. Putnam's Sons 2002
[4] 웹사이트 Isaac Newton and the problem of color https://www.aaas.org[...] AAAS
[5] 웹사이트 1861: James Clerk Maxwell's greatest year https://web.archive.[...] King's College London 2013-03-28
[6] 웹사이트 What is Spectroscopy? https://www.pasco.co[...] PASCO
[7] 간행물 Sir John Herschel and the Development of Spectroscopy in Britain http://www.jstor.org[...] Cambridge University Press, The British Society for the History of Science
[8] 간행물 Introduction to Raman Microscopy/Spectroscopy http://www.jstor.org[...] Ubiquity Press
[9] 학술지 Observation of Periodic Fine Structure in Reflectance from Biological Tissue: A New Technique for Measuring Nuclear Size Distribution https://link.aps.org[...] 1998-01-19
[10] 서적 Quantum: Einstein, Bohr, and the great debate about the nature of reality
[11] 웹사이트 Spectra and What They Can Tell Us https://imagine.gsfc[...] NASA Goddard Space Flight Center 2013-08
[12] 웹사이트 Basic Spectroscopy http://photobiology.[...]
[13] 웹사이트 Atomic Spectra Database https://www.nist.gov[...] NIST
[14] 웹사이트 The Different Types of Spectroscopy for Chemical Analysis https://www.azooptic[...] AZoOptics 2021-11-10
[15] 서적 Understanding Physics
[16] 웹사이트 A Taste of ESPRESSO http://www.eso.org/p[...] 2015-09-15
[17] 서적 Principles of instrumental analysis https://books.google[...] Thomson Brooks/Cole
[18] 학술지 Infrared measurements in the Arctic using two Atmospheric Emitted Radiance Interferometers
[19] 서적 Molecular Rotation Spectra https://books.google[...] Wiley 1975
[20] 서적 Molecular Symmetry and Spectroscopy https://volumesdirec[...] NRC Research Press
[21] 서적 Molecular Vibrational-rotational Spectra: Theory and Applications of High Resolution Infrared, Microwave, and Raman Spectroscopy of Polyatomic Molecules https://books.google[...] Elsevier Scientific Publishing Company 1982
[22] 서적 Molecular Vibrations: The Theory of Infrared and Raman Vibrational Spectra https://books.google[...] Courier Corporation 1980-03-01
[23] 학술지 Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy: Chemical Imaging for Biology and Medicine 2008
[24] 서적 Laser Spectroscopy Springer
[25] 서적 Tunable Laser Applications CRC Press
[26] 학술지 Detection of preinvasive cancer cells https://www.nature.c[...] 2000-07
[27] 학술지 Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations 2013) http://www.degruyter[...]
[28] 학술지 The theory of spin noise spectroscopy: a review
[29] 학술지 Amplified wavelength–time transformation for real-time spectroscopy
[30] 학술지 Real-time spectroscopy with subgigahertz resolution using amplified dispersive Fourier transformation
[31] 뉴스 Media advisory: Press Conference to Announce Major Result from Brazilian Astronomers http://www.eso.org/p[...] 2013-08-21
[32] 서적 Sir Charles Wheatstone FRS: 1802–1875 https://books.google[...] IET 2001
[33] 서적 Lines of Light: The Sources of Dispersive Spectroscopy, 1800 – 1930 Gordon and Breach Publishers 1995
[34] 학술지 Using NIR Spectroscopy to Predict Weathered Wood Exposure Times https://web.archive.[...] 2009-06-22
[35] 학술지 The Relativistic Doppler Effect
[36] 웹사이트 Germany and France Will Stop Chick Culling https://www.newsendi[...] 2021-07-22
[37] 논문 Thickness evaluation of AlO x barrier layers for encapsulation of flexible PV modules in industrial environments by normal reflectance and machine learning https://onlinelibrar[...] 2022-03-01
[38] 웹사이트 OpenStax Astronomy http://cnx.org/conte[...] 2016-10-13
[39] 간행물 A method of examining refractive and dispersive powers, by prismatic reflection http://rstl.royalsoc[...] 1802-01-01


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