Light Scattering - 광산란

소개글

Light Scattering - 광산란에 대한 보고서 자료입니다.

목차

□ 실험목적
□ 실험 개념 / 원리
● Mie의 산란
● 탁도(Turbidity) τ

본문내용

만큼 떨어져서 산란을 일으킨다고 생각하자. 산란각을 θ라 하면 이때 거리차 dsinθ가 파장의 배수인 곳에서는 빛의 간섭 효과에 의해 빛의 간섭 효과에 의해 빛의 세기가 주위보다 큰 곳이 된다. 이런 지점간의 분리각을 Δθ라 정의하면 Δθ의 값이 적을 때 대략 Δθ = λ/dcosθ로 주어진다. 광원의 파장 λ = 500 nm로 잡고, d = 0.1 mm로 하면, 분리각 Δθ = (0.3/cosθ)로 주어진다. 따라서, 검지기가 관찰하는 영역이 Δθ보다 크면, 검지기는 산란광의 세기가 센 곳과 약한 곳을 동시에 보게 되어 결국 평균된 값을 나타내게 될 것이다. 따라서, 입자의 운동에 의해서 생기는 산란광의 요동 현상은 적은 영역을 관찰할수록 상대적으로 커짐을 알 수 있다. 이런점이 탄성광산란 기기 장치와 크게 다른 점이라 할 수 있다.
산란광의 요동을 분석하기 위해서는 주로 스펙트럼분석기(spectrum analyzer)나 상관 분석기(correlator)을 사용한다. 스펙트럼분석기에 의해 얻는 파워스펙트럼(power spectrum)은 시간 영역에 의해서 얻은 신호 I(t)로부터 Doppler broadening의 정도를 주파수 영역으로 표시된다. 예를 들어, latex입자에 의해 얻은 스펙트럼은 잘 알려진 Lorentzian profile 형태로 얻어지는데 식 (2)와 같이 주어진다.
여기서 D는 입자의 병진확산계수이고 q는 산란 벡터이다. 파워스펙트럼의 선폭으로부터 입자의 확산 계수를 구할 수 있으며 입자가 빨리 움직일수록 선폭이 커짐을 알 수 있다.
스펙트럼분석기와는 달리 상관(correlation)방식은 신호를 처리하는 방법에 있어 스펙트럼분석 방법보다는 새로운 기법인데, 이에 대한 수학적인 표현방법은 벌써 잘 알려져 있었으나 하드웨어상 빠른 수치능력이 있는 계산기가 필요했기 때문에 상대적으로 늦게 개발되었다. 오늘날, 좋은 컴퓨터의 개발에 힘입어 새롭게 각광을 받는 기법으로 알려져 있다. 현재 사용되고 있는 상품화된 준탄성 관산란 기기는 거의 대부분 상관분석기(correlator)을 아용한 방법을 사용하고 있다.
신호 P(t)에 대한 산란광의 자기상관함수 G(τ)(autocorrelation function)는 식 (3)와 같이 정의된다.
여기서 <>는 시간에 대한 평균을 나타내며 I(t)와 I(t+τ)는 각각 시간 t, t+τ에서의 산란광의 세기를 나타낸다. 즉 천천히 변화하는 신호의 경우 그 이전상태를 많이 유지할 수 있기 때문에 빨리 변화하는 신호보다 자기상관함수는 상대적으로 큰 값을 가질 것이라는 것을 알 수 있다. 자기상관함수 G(τ)는 디지탈방식에 의해 쉽게 계산될 수 있고 G(τ)는 Wiener-Khintchine이론에 의해 파워스펙트럼과 푸리어변환(Fourier tranformation)관계가 있다. 그러므로, 각각의 방법에서 얻는 정보는 결국 같다는 것을 의미한다. 자기상관함수 G(τ)는 입자들의 크기가 균일한 경우 지수함수 형태로 감소하며 지수감소율 GAMMA (τ) =2Dq2
으로 주어지며 이론적으로 식 (4)과 같이 표시됨을 보여줄 수 있다.
여기서 D는 병진확산계수이며 q는 탄성광산란에서와 같은 의미를 가지는 산란 백터의 크기로 산란각도의 함수이다. 그러므로 그림 1에 보인바와 같이 크기가 작은 입자들에 의한 산란광의 자기상관함수는 크기가 큰 입자들의 경우보다 빨리 감소하게 되고 이 함수에서 확산계수를 알 수 있고 적당한 모델로부터 입자의 크기를 계산할 수 있게 된다. 입자의 크기가 균일하지 않을 때에는 식 (5)과 같이 자기상관함수의 합으로 나타나며 data fitting에 의하여 평균 크기 뿐만 아니라 입자크기의 분포도도 알아낼 수 있다.
이렇게 구하여진 확산계수는 탄성광산란에서와 마찬가지로 용액의 비이상성에 의하여 영향을 받게 되며 용액이 진하여지면 다른 입자들의 존재에 의한 마찰계수의 변화도 고려해야 되므로 식 (1)과 같은 관계식이 엄밀히 성립하자면 농도 0으로의 외삽을 하여 얻어지는 확산계수로부터 hydrodynamic radius를 구하여야 한다.
입자크기가 다른 자기상관함수의 모양
입자가 클수록 천천히 감소하는 함수모양이 된다.
※ 조작방법
1) Laser를 켜고, filtration/circulation system과
temperature controller를 작동시킨다.
- 안정적인 laser를 얻기 위해서는 30분 정도 예열시킨다
- 측정중에는 filtration/circulation system 작동을 중지시킨다.
2) 측정하고자 하는 sample을 0.2μm syringe filter로
filtering하여 sample cell에 10∼20ml 정도 넣는다.
3) Sample cell을 sample cell assembly에 장치한다.
4) Pinhole size는 100, 200, 400중 하나를 선택하여 사용한다.
광산란의 응용과 발전방향
액정 표시 장치(LCD)에 사용되는 액정 셀의 일종.빛의 투과를 빛의 산란 강도에 따라 제어하며 편광판(偏光板)을 필요로 하지 않는 것이 특징이다. 고분자 중에 수 m의액정 분자립(液晶分子粒)이 다수 분산되어 있는 것, 또는 그물모양의 고분자 중에 액정이 포함되어 있는 것 등 몇 가지종류의 구조가 제안되어 있다. 전압이 없으면 액정 분자는 불규칙한 방향이 되고 매체와의 굴절률이 다른 계면(界面)에서산란을 일으킨다. 전압을 가하면 액정의 방향이 가지런하게되고 양자의 굴절률이 일치하여 투과 상태가 된다. 표시는밝게 되지만 액정 셀의 두께를 크게 하지 않으면콘트라스트가 확보되지 않기 때문에 결과적으로 구동 전압이높아진다. 현재 6V 구동 전압으로 콘트라스트비 100을확보하게 되었으며 히스테리시스(hysteresis)의 개량과
고저항화가 있어서 실용화 단계에 있다.
참고문헌
http://multiphase.kaist.ac.kr/
research_sprays_right_scattering_method.htm
고분자공학Ⅰ, 김성철, 희중당, p.127～132
기기분석의 원리와 응용, 박면용외, 녹문당, p.17～54
고분해능 분자분광학, 이상국, (주)민음사, p.287～327

키워드

Light scattering,   광산란,   LS,   빛의 산란,   고분자 실험