IR은 어떤 현상을 캐치하여 무엇을 보여주는가?
설명을 하자면, 분자의 포텐셜에너지에 대한 내용을 설명해야하는데.. 사실 이거 다 공부하는게 맞지만, 분자 해밀토니안이니 뭐니이걸 다 할 수 없으니 일단 간단한 원리 수준으로 이해하고, 궁금하거나 더 깊게 현상을 이해해야할 필요가 있을때 공부하는게 좋다. 일단, 고분자가 목적이고, 이걸 공부하는데만도 한세월이니..
그래서 다 생략하고, 단순 원리 설명으로 하자면,
1. 분자는 절대온도 0이 아닌한 움직이고 있다.
2. 다양한 움직임의 모드가 있지만 FTIR에 캐치하는 것은 분자의 진동모드이다.
3. 그중에서 쌍극자의 변화와 관계된 진동방식이어야 한다.
4. 적외선(IR, infrared)의 주파수와 분자 진동모드의 주파수가 동일하면 적외선을 흡수한다.
5. 다양한 주파수의 적외선을 시료에 조사해서 흡수된 주파수 영역을 캐치하고, 해당 주파수 영역이 어떤 분자의 진동모드인지 파악한다.
정리하면,
적외선을 조사해서 특정 주파수의 진동모드로 시료내 어떤 분자결합이 존재하는지 파악한다.
왜 FT-IR이라고 부르고, 이를 사용할까?
FTIR의 FT는 Fourier transform의 약자이다.
Fourier transform, 푸리에 변환, 많이 들어본 용어일 것이다. 그냥 간단하게만 말하면, 시간이나 공간에 대한 함수를 주파수 성분으로 분해하는 변환이다.
자, 그럼 보자.
말을 바꿔 생각해보면, 위에 '주파수'를 얘기했는데, IR을 측정하면 시간 또는 공간의 함수로 얻는다는 뜻이다. 좀 더 자세히 말하면, "beam spliter와 mirror를 이용해서 다중 시간의 신호를 한번에 얻어내고, 이에 얻어진 interferogram을 Fourier transform하여 spectrum의 형태로 얻어낸다." 라는 뜻인데..
쉽게쉽게 가자..
1. 여러개 시간의 함수를 한번에 얻어낸다.
2. 이를 주파수로 분해한다.
3. 짧은 시간에 시료의 spectrum정보를 얻을 수 있다.
요약하자면, 이렇다. FTIR 방식으로 측정하면 기존방식보다 빠르고 간편하다. 어차피 변환은 컴퓨터가 다 해준다 라는 뜻이다.
그래서 그림으로 보면, 그 다음 step이 한눈에 들어온다. 빈공간 또는 ATR같은 악세사리 장치만 놓고 background를 얻은 뒤에 시료를 놓고 찍어서 빔 조사대비 어느 주파수에서 얼마나 흡수했는지를 확인한다.
위 그림은 간단한 예시고, 표 형태로 된 주파수별 분자결합을 읽어서 보면된다. 근데, 이거만 가지고 시료 찍은다음 해석하라고 하면 멘붕올것이다. 그래서 IR을 어떻게 접근해야 쉽게 spectrum을 해석할 수 있는지 소개하려고 한다.
IR spectrum, 어떻게 봐야 접근이 쉬운가?
시료가 무엇인지 알기 위해 우리는 'IR spectrum'을 본다.
그 사람이 누구인지 알아보기 위해 우리는 '얼굴'을 본다.
그럼 쉬운 예로 이해하고, IR spectrum에 적용해보자.
누군지 알아보려고 할때 이렇게만 덜렁 준다면, 누군지 쉽게 알아볼 수 있을까?
이건 어떨까?
이건??
대부분 IR spectrum을 처음 보면 이렇게 접근한다. peak하나만 보고, 이게 무슨 결합인지 찾아보고 다 표시를 해둔다음, 그래서 이게 뭐야. 뭔지 모르겠어! 라고 한다. 왜냐면 고분자에는 굉장히 다양한 반응기가 존재하는데, 고분자 마다 비슷한 반응기, 심지어는 같은 반응기를 가지고 있는 경우도 있기 때문이다.
심지어 IR은 주파수영역에 분자결합들이 겹친다.
푸르게 표시한 부분에 peak이 나왔다고 하자, 무슨 결합일까? 그래서 이런식으로 peak 하나하나를 보면 보기가 매우 어렵다..
어떻게 접근해야할까?
이렇게 접근해야한다. 누군지 한눈에 알아 볼 수 있다.
1. 고분자의 화학구조를 보고, 들어가있는 반응기를 전부 파악한다.
2. Peak위치를 파악하여 spectrum에 전부 있는지 확인한다.
3. peak 몇개가 빈다면 이 spectrum은 내가 생각한 고분자가 아니다.
여기에 중요한 걸 하나 더 더하자면...
분자의 진동모드는 분자결합 하나에도 여러가지가 있다.
예를 들어, acrylate의 C=C 결합은 여러가지 진동모드가 있다. 따라서, acrylate라면,
1640 cm-1, 1410 cm-1, 810 cm-1의 세군대 peak가 전부 보여야 한다.
이런식으로 조합하여 보면 spectrum으로 접근하기 좀 더 쉽다.
물론 spectrum library에서 검색해서 볼 것이라는 걸 다 안다. 하지만, 컴퓨터는 일치도만을 가지고 하기 때문에 peak 한두개 차이는 일치도만 높다면 무시할 수 있다. 이럴때, 사람이 보고 판단해야한다.
그래도 보는건 쉽지 않을 수 있다. 이 분야에서 가장 좋은 방법은 '경험을 많이 쌓는것'이다. 같은 반응기라도 옆에 무엇이 달렸는지에 따라 shift가 일어날 수 있고, 전체적인 peak intensity ratio등이 비슷하지만 묘하게 다를 수 있기 때문에, 물질을 다양하게 찍어보고 많이 보아야 한눈에 알 수 있다.
쌍둥이 얼굴도 오래보면 미세하게 구분하지 않는가? 누군가 쌍둥이의 얼굴 차이를 적은 내용을 보고 구분하는 것과 자주봐서 얼굴에 익히는 것과 알아보는 시간의 차이가 존재한다. 나는 찍어놓고 한참 보고있는데, 많이 경험하신분들은 지나가다가 spectrum 휙 보고, PMMA네? 라고 한다.
나중에 경화거동이나 orientation관련 내용도 다뤄볼 예정입니다.
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