적외선 분광법(IR spectroscopy) 분석 시 스펙트럼의 베이스라인(baseline)이 왜곡되거나 휘어지는 원인?

적외선 스펙트럼의 기준선이 휘어지는 주요 원인

1. 산란 효과 (Scattering effect)

IR spectrum baseline

투과법(transmission method) 또는 거울반사법(specular reflection method)을 사용할 때, 시료 표면이 거칠거나 무기물 입자를 포함하면 적외선이 표면이나 내부에서 산란된다.
이 현상은 파장이 짧을수록(고파수 영역) 강하게 나타나므로, 투과 스펙트럼의 기준선은 왼쪽(고파수, 높은 에너지 영역)으로 갈수록 하강하는 형태를 보인다.
즉, 짧은 파장에서 빛의 산란이 커져서 투과율(%T)이 감소하고, 결과적으로 스펙트럼의 왼쪽 끝이 아래로 떨어진다.
이런 경향은 예를 들어 산화마그네슘(MgO) 또는 마그네슘스테아레이트(magnesium stearate) 같은 미세 분말성 고체에서 자주 관찰된다.
산란의 정도는 입자 크기, 표면 거칠기, 압축도 등에 따라 달라지므로, 시료 준비 과정에서 입도 조정과 표면 평탄화가 중요하다.

 

 

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2. 카본 블랙에 의한 흡수 (Effect of carbon black)

IR spectrum baseline

카본 블랙(carbon black)을 함유한 검정색 고무나 고분자 시료는, ATR(Attenuated Total Reflection) 분석 시 전 영역(4000–400 cm⁻¹)에 걸쳐 넓은 흡수 밴드를 보인다.
ATR 방식에서는 파장이 길수록(저파수, long wavelength) 빛의 침투 깊이가 증가하기 때문에, 카본 블랙의 흡수 효과가 오른쪽 영역에서 더 강하게 작용한다.
그 결과 스펙트럼의 기준선이 오른쪽으로 갈수록 하강하는 형태로 나타난다.
이것은 광학적으로 보면, 복합 재료 내부에서 에너지 손실이 누적되기 때문이다.
따라서 카본 블랙을 포함한 고무 시료의 경우, 기준선의 기울기를 단순한 흡수 감소로 해석하면 안 되고, 물질의 광학적 흡수 특성을 고려해야 한다.

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3. 간섭 무늬(Interference fringes)

IR spectrum baseline

매우 매끄럽고 일정한 두께를 가진 시료, 예를 들어 필름류(Polystyrene, Polypropylene)의 경우에는 스펙트럼 기준선이 일정한 주기의 사인파 형태로 출현할 수 있다.
이는 시료 내부에서 발생한 다중 반사(multiple reflection)로 인한 간섭 무늬(interference fringe) 현상이다.
간섭의 주기와 강도는 시료의 두께와 굴절률에 따라 달라지며, 두께가 균일하지 않으면 주기성이 깨진다.
이러한 간섭 패턴은 실제 화학적 흡수 밴드로 오인될 수 있으므로, 분석 시 반드시 보정해야 하며, 보통은 매트 처리나 회절 방지용 투명 필름을 덧대어 측정한다.

 

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4. 백그라운드 측정의 영향 (Effect of background measurement)

거울반사법(specular reflectance)을 사용할 때, 금속 표면 위에 코팅된 시료를 분석하는 경우, 기준 시료(reference sample)와 측정 대상(sample)의 표면 조건이 다르면 기준선이 왜곡된다.
예를 들어, 기준 시료의 표면이 실제 시료보다 더 거칠거나 더 휘어져 있으면, 반사율 차이로 인해 100%T를 초과하는 이상한 기준선이 형성될 수 있다.
이는 장비의 결함이 아니라, 측정 시 표면 반사 조건이 일치하지 않아 생긴 오차다.
따라서 반사 분석 시에는 동일한 반사 특성을 가진 기준면을 사용하고, 백그라운드 측정을 정확히 수행해야 한다.