[논문]FT-IR을 이용한 중요 광물의 적외 방출도 스펙트럼 측정

이유정; 박중현; 이광목

doi:10.14191/atmos.2015.25.4.601

FT-IR을 이용한 중요 광물의 적외 방출도 스펙트럼 측정
Infrared Emissivity of Major Minerals Measured by FT-IR 원문보기

대기 = Atmosphere, v.25 no.4, 2015년, pp.601 - 610

이유정 (경북대학교 천문대기과학과) , 박중현 (경북대학교 천문대기과학과) , 이광목 (경북대학교 천문대기과학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study measured the emissivity spectra of 5 major rock-forming minerals using a Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectrometer in the spectral region of $650{\sim}1400cm^{-1}$. The mineral samples are quartz, albite, bytownite, anorthite, and sandstone. We compared emissivity spectra measured in this study with spectra provided by Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) and Arizona State University (ASU). The spectral features of emissivity such as Reststrahlen Band (RB) and Christiansen Feature (CF) locations were compared. Results showed that both CF and RB locations of emissivity spectra measured in this study were similar to those from ASTER and ASU. In the case of quartz, the RB was occurred in the region of $700{\sim}850cm^{-1}$ and $1050{\sim}1250cm^{-1}$. The spectral position of emissivity peak was in good agreement with the location of ASTER and ASU. For plagioclase (albite, bytownite, and anorthite), the spectral location of CF was shifted toward larger wavenumber and the emissivity value was increased in the region of $870{\sim}1200cm^{-1}$ with Ca percentage. The CF of anorthite and bytownite was occurred at $1245.79cm^{-1}$, and that of albite was occurred at $1283.79cm^{-1}$. We also confirmed that emissivity feature of sandstone includes both emissivity features of quartz and calcite. However, there were some differences in the magnitude of emissivity and locations of RB and CF. These were due to the differences in measurement methods, and differences in particle size and temperature of samples.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2004). 따라서 ASTER의 BR 자료 혹은 DHR 자료에서 구한 방출도와 정량적 비교는 타당하지 않기 때문에 여기에서는 정성적 비교에 중점을 두었다.
시료는 석영(quartz), 사장석 종류인 회장석(anorthite), 아회장석(bytownite), 조장석(albite), 그리고 사암(sandstone)을 포함하여 총 5종이다. 사암은 하나 이상의 광물로 이루어진 암석으로 구성 광물의 방출도 특징을 나타내기 때문에 이를 확인하고자 시료에 포함하였다. 시료들은 평균 가로 9 cm, 세로 6.
아쉽게도 국내에서는 지표 물질의 적외영역 방출도에 대한 연구, 특히 방출도 측정에 대한 연구가 미흡하여 본 연구가 이 분야의 첫 시도가 되었다. 현재까지 지표 물질에 대한 자료를 많이 축적하지 못하였기 때문에 본 연구에서는 지표를 구성하고 있는 대표적 광물을 선정하여 방출도를 측정하고 그 특징을 분석하였다.

가설 설정

물질의 방출도는 구성 성분과 온도에 따라 다르며 반사도는 구성 성분과 온도뿐만 아니라 표면 상태(예; 고체, 분말, 거칠기)와 측정 방법(예; BR, DHR, Biconical Reflectance)에 따라서도 다르게 나타난다(Salisbury and Walter, 1989; Christensen and Harrison, 1993; Bras and Erard, 2003). 본 연구에서 측정한 평면 광물 시료의 방출도는 비방향성을 가정할 수 있는데, 이러한 비방향성 방출도는 Biconical 반사도에 키르히호프 법칙 식(7)을 적용하여 구한 방출도와 비교하여야 된다(King et al., 2004). 따라서 ASTER의 BR 자료 혹은 DHR 자료에서 구한 방출도와 정량적 비교는 타당하지 않기 때문에 여기에서는 정성적 비교에 중점을 두었다.

제안 방법

FT-IR을 이용하여 먼저 시료의 간섭자료를 측정하고 차례로 시료보다 온도가 높은 흑체와 시료보다 온도가 낮은 흑체의 간섭자료를 측정하였다. 간섭자료의 측정에서 분해능은 1 cm⁻¹로 하였으며, 자료의 정확도를 높이기 위하여 64번 스캔한 자료의 평균값을 이용하였다.
광물 시료가 방출하는 빛 에너지를 측정하기 위하여 가열장치로 시료를 50~70^oC로 가열하였다. 시료를 가열하는 이유는 방출 에너지가 온도에 비례하기 때문에 더 많은 방출 에너지를 측정하여 그 정확도를 높이기 위한 것이다.
본 연구에서는 지표면 물질 중 우리나라의 기반암을 구성하고 있는 주요 광물의 적외영역 방출도를 FTIR 간섭계를 이용하여 측정하였다. 국내에서는 이러한 관측이 처음으로 수행되어 비교할 수 있는 자료가 없었기 때문에 본 연구에서의 측정 자료는 ASTER와 ASU가 제공하는 방출도 스펙트럼과 비교하였다.
시료를 가열하는 이유는 방출 에너지가 온도에 비례하기 때문에 더 많은 방출 에너지를 측정하여 그 정확도를 높이기 위한 것이다. 그리고 시료의 표면에는 접촉식 온도계를 부착하여 시료의 온도를 측정하였다.
두 번째 RB가 나타나는 구간은 850~1250 cm−1인데, 방출도 특징을 좀 더 자세히 보기 위해 Milam et al. (2004)과 Donaldson Hanns et al. (2012)가 제안한 것과 같이 RB 구간을 850~1100 cm−1와 1100~1250 cm−1로 구분하여 비교하였다.
방출도 측정에 사용한 M4400 FT-IR 간섭계의 잡음 (noise) 크기를 살펴보기 위하여 NESR (Noise Equivalent Spectral Radiance)을 측정하였다. NESR은 흑체를 측정한 원시 스펙트럼의 표준편차와 간섭계 반응도의 비율로 다음과 같이 정의된다.
본 연구에서 측정한 광물의 방출도를 다른 자료와 비교하였다. 여기에서는 ASTER에서 제공하는 Bidirectional 반사도(이하 BR)와 Directional-hemisphere 반사도(이하 DHR) 자료 및 ASU의 반사도 자료에서 구한 방출도와 비교하였다.
본 연구에서는 지표면 물질 중 우리나라의 기반암을 구성하고 있는 주요 광물의 적외영역 방출도를 FTIR 간섭계를 이용하여 측정하였다. 국내에서는 이러한 관측이 처음으로 수행되어 비교할 수 있는 자료가 없었기 때문에 본 연구에서의 측정 자료는 ASTER와 ASU가 제공하는 방출도 스펙트럼과 비교하였다.
시료의 온도를 T_samp 혹은 T_cf로 가정하였을 때, 계산한 방출도의 차이를 보기 위하여 방출도 오차를 다음과 같이 계산하였다.
본 연구에서 측정한 광물의 방출도를 다른 자료와 비교하였다. 여기에서는 ASTER에서 제공하는 Bidirectional 반사도(이하 BR)와 Directional-hemisphere 반사도(이하 DHR) 자료 및 ASU의 반사도 자료에서 구한 방출도와 비교하였다. 물질의 방출도는 구성 성분과 온도에 따라 다르며 반사도는 구성 성분과 온도뿐만 아니라 표면 상태(예; 고체, 분말, 거칠기)와 측정 방법(예; BR, DHR, Biconical Reflectance)에 따라서도 다르게 나타난다(Salisbury and Walter, 1989; Christensen and Harrison, 1993; Bras and Erard, 2003).
간섭자료의 측정에서 분해능은 1 cm⁻¹로 하였으며, 자료의 정확도를 높이기 위하여 64번 스캔한 자료의 평균값을 이용하였다. 이들 간섭자료를 푸리어 변환하여 시료의 원시 스펙트럼 V_s와 고온 및 저온 흑체의 원시 스펙트럼 V_h와 V_c를 구하였다. 식(1)을 이용하여 각각의 복사강도 스펙트럼으로 변환한 후, 식(8)을 이용하여 시료의 방출도를 구하였다.
크기가 710~1000 μm인 입자를 측정한 ASU 반사도 자료에서 계산한 방출도와 비교하였다.

대상 데이터

ASTER 자료는 500~1500 μm 분말의 BR 자료와 결정체의 DHR 자료에서 구한 것이다.
Figure 5a는 ASTER 자료에서 구한 방출도와 본 연구에서 측정한 석영의 방출도를 비교한 것이다. ASTER 자료는 크기가 500~1500 mm인 석영 분말의 DHR 자료와 석영 결정체의 BR 자료를 이용하여 계산한 것이다. 분말을 이용한 반사도 측정은 DHR 측정에 유리한 측면이 있으나 산란의 영향을 포함한 Hapke (1981) 이론을 적용해야 하는 어려움이 있다.
FT-IR로 측정한 자료를 복사강도로 변환하기 위해 사용한 흑체는 Mikon Inc.가 제작한 M340이다. 이 흑체의 설정 가능 온도범위는 −20~150^oC이며 온도 분해능은 0.
본 연구에서 측정한 조장석, 아회장석, 회장석은 장석(feldspar) 중에서 사장석으로 분류되는 광물들이다. Milam et al.
본 연구에서는 지표를 구성하고 있는 주요 광물로 시료를 선정하였다. 시료는 석영(quartz), 사장석 종류인 회장석(anorthite), 아회장석(bytownite), 조장석(albite), 그리고 사암(sandstone)을 포함하여 총 5종이다.
본 연구에서는 지표를 구성하고 있는 주요 광물로 시료를 선정하였다. 시료는 석영(quartz), 사장석 종류인 회장석(anorthite), 아회장석(bytownite), 조장석(albite), 그리고 사암(sandstone)을 포함하여 총 5종이다. 사암은 하나 이상의 광물로 이루어진 암석으로 구성 광물의 방출도 특징을 나타내기 때문에 이를 확인하고자 시료에 포함하였다.
사암은 하나 이상의 광물로 이루어진 암석으로 구성 광물의 방출도 특징을 나타내기 때문에 이를 확인하고자 시료에 포함하였다. 시료들은 평균 가로 9 cm, 세로 6.5 cm, 높이 2.7 cm의 결정체로 경북대학교 지질학과에서 제공되었다.
본 연구에서는 광물 시료가 방출하는 빛 에너지를 측정하기 위하여 미국의 Midac Corp.에서 제작된 M4400 FT-IR을 이용하였다. 이 장비는 Michelson 간섭계로서 분할기, 고정거울, 이동거울, 집광기, 검출기 등으로 구성되어 있다.

데이터처리

간섭자료의 측정에서 분해능은 1 cm−1로 하였으며, 자료의 정확도를 높이기 위하여 64번 스캔한 자료의 평균값을 이용하였다.

이론/모형

FT-IR 간섭계 부품들이 방출한 빛 에너지의 기여 (instrument offset)를 제거하고, 시료가 방출한 빛 에너지를 복사강도 스펙트럼(S(ω))으로 나타내기 위해 다음과 같은 정량화 방법(Revercomb et al., 1988)을 사용하였다.
(1997)은 이러한 단점을 보완하기 위하여 CF에서의 방출도가 1이 되는 온도(T_cf)를 시료의 온도로 가정하고 방출도를 계산하였다. 본 연구에서도 시료의 온도는 Ruff et al. (1997)의 방법을 사용하여 구하였다.

성능/효과

976이며, RB에서의 방출도보다 크게 측정되었다. ASTER 반사도 자료에서 구한 방출도와 비교했을 때 본 연구에서 측정한 석영의 방출도는 크기에서 차이가 있지만 동일한 위치에서 RB가 나타났다. 본 연구에서 측정한 CF는 1337.
본 연구에서 측정한 석영의 경우, RB 구간인 700~850 cm−1에서 평균 방출도는 약 0.944이고 1050~1250 cm−1에서 평균 방출도는 약 0.754였다.
크기가 710~1000 μm인 입자를 측정한 ASU 반사도 자료에서 계산한 방출도와 비교하였다. 본 연구의 결과와 ASU의 방출도 스펙트럼은 RB 구간의 위치와 파장에 따른 변화가 유사하며, Milam et al. (2004)의 결과와도 그 위치와 파장에 따른 변화 특징이 비슷하다. ASU 자료의 CF는 파수 1210 cm⁻¹에서 나타났으며 본 연구에서 측정한 스펙트럼의 CF는 1245 cm⁻¹부근에서 나타났다.
754이다. 이 두 구간을 제외한 파수 영역에서의 평균 방출도는 0.976이며, RB에서의 방출도보다 크게 측정되었다. ASTER 반사도 자료에서 구한 방출도와 비교했을 때 본 연구에서 측정한 석영의 방출도는 크기에서 차이가 있지만 동일한 위치에서 RB가 나타났다.
이러한 차이가 있음에도 본 연구에서 측정한 석영의 방출도는 ASTER 자료와 비교했을 때, 석영의 RB 구간인 750~850 cm−1와 1050~1250 cm−1에서 방출도 스펙트럼의 특징은 매우 유사하게 나타났다.
장비 내부에 존재하는 수증기의 영향으로 파수범위 1400~1700 cm−1에서 NESR은 강한 수증기 흡수선 위치에 큰 값이 나타났다.
첫 번째 RB 구간인 700~800 cm−1에서 회장석의 평균 방출도는 0.988, 조장석의 평균 방출도는 0.984, 그리고 아회장석의 평균 방출도는 0.982로 측정되었다.
크기가 125~500 μm인 조장석 입자를 측정한 ASTER 자료와 본 연구에서 측정한 조장석의 방출도 스펙트럼은 전 구간에서 그 특징이 일치하였다.
특히 본 연구의 결과는 ASTER 의 500~1500 μm 분말에 대한 자료와 비교하였을 때 방출도가 비슷하며 파장에 따른 변화 특징도 매우 유사하였다.

후속연구

2018년에 발사 예정인 후속 기상위성은 천리안 위성보다 많은 적외 채널이 있으며, 지표 정보를 포함한 다양한 대기의 정보를 산출할 예정이다. 위성의 각 채널로 측정한 빛 에너지를 모의할 때 복사모델에서는 지표 방출도 자료가 중요한 자료로 요구된다.
본 연구에서는 5개의 시료를 선정하여 측정하였으나 위성 자료에서 산출한 방출도를 검증하거나 정확한 대기의 정보를 산출하기 위해서는 다양한 지표면 구성 물질에 대한 방출도 정보를 축적하여야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외영역에서 물질의 방출도 스펙트럼을 구하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?	적외영역에서 물질의 방출도 스펙트럼은 FT-IR (Fourier Transform Infrared Spectrometer)을 이용하여 물질이 방출하는 복사강도를 측정하거나(Nerry et al., 1990; Christensen and Harrison, 1993; Henderson et al., 1996; Mathew et al., 2009) 반사도를 측정하여 (Salisbury et al., 1994; Korb et al., 1999; Chunnilall and Theocharous, 2012) 구할 수 있다. 이러한 방출도 자료는 위성 자료를 이용하여 산출한 지표 방출도를 검증하거나 복사모델을 이용하여 위성이 측정하는 복사강도를 모의하는 데 활용된다.
	M4400 FT-IR 장비는 무엇으로 구성되는가?	에서 제작된 M4400 FT-IR을 이용하였다. 이 장비는 Michelson 간섭계로서 분할기, 고정거울, 이동거울, 집광기, 검출기 등으로 구성되어 있다. Liquid Nitrogen (LN2)으로 냉각되는 MCT (Mercury Cadmium Telluride) 검출기의 유효 검출범위는 400~5000 cm−1이며, 측정 분해능은 Midac에서 제공되는 소프트웨어를 이용하여 0.
	ASTER는 어떤 자료를 제공하는가?	Geological Survey) 반사도 자료를 Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Spectral Liberary(이하 ASTER)로 통합하여 온라인으로 제공하고 있다(Baldridge, 2009). ASTER는 암석, 광물, 토양, 식물, 눈, 얼음과 같은 자연적 물질과 아스팔트와 같은 인공적인 물질의 반사도를 0.4~2.4 μm와 2~25 μm의 파장대로 나누어 제공하고 있다. 또한 ASU 스펙트럼 자료(Arizona State University Spectral Library, 이하 ASU)에서는 150개 이상 광물의 방출도 스펙트럼을 제공하고 있다(Christensen et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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