분광기(spectrometer)는 빛을 파장에 따라 서로 다른 공간으로 퍼뜨려(이를 분산이라함) 각 파장에 대한 빛의 세기(이를 스펙트럼이라 함)를 관찰 또는 측정하기 위한 장치를 말한다. 스펙트럼에서 관찰되는 여러가지 분광학적 정보는 물질을 분석하고 물성을 연구하는데 매우 중요하게 사용된다.
1. 분광기의 구조#
얼핏 듣기에 분광기는 상당히 복잡한 장치인 것처럼 생각되지만, 실은 분광기의 구조는 단순하여 비교적 낮은 성능의 분광기는 가정에서도 쉽게 제작해 볼 수 있다. 분광기의 가장 간단한 기본 구조는 다음 그림 1과 같다.
광원의 빛은 슬릿을(slit) 통하여 분광기 내부로 들어 온다. 광원으로부터의 빛은 사방으로 퍼지기 때문에 슬릿은 특정한 방향으로 진행하는 빛만을 통과시키는 역할을 한다. 슬릿을 통과한 빛은 콜리메이션 미러 (또는 렌즈)에 의하여 평행광이 되어 회절 격자(diffraction grating)에 조사된다. 회절 격자에서 빛은 파장별로 퍼뜨려지고(이를 분산이라 함), 분산된 빛은 포커스 미러 (또는 렌즈)에 의하여 광검츨기(photodetector)에 상을 맺는다. 광검출기에서 파장에 따른 빛의 세기가 측정되고 그 결과 스펙트럼을 얻게 된다.
빛을 파장별로 분산시킬 수 있는 가장 잘 알려진 방법은 프리즘을 시용하는 것이다. 프리즘은 빛의 파장에 따른 굴절률의 차이를 이용하여 빛을 분산시킬 수 있는데, 상용화된 대개의 분광기에서는 여러 가지 편리성때문에 프리즘보다는 회절 격자를 사용한다. 회절 격자는 평평한 유리판에 일정한 간격으로 홈(groove)를 파놓은 것이다. 회절 격자 표면에 닿은 빛은 회절(diffraction)과 간섭(interference)을 일으키는데, 이것이 빛의 파장에 의존하기 때문에 이를 이용하여 빛을 분산시키는 것이다.
분광기의 구조는 이처럼 간단하기 때문에 회절 격자의 역할을 할 수 있는 CD/DVD 또는 회절 격자 필름을 이용하여 종이 상자로 간이 분광기를 제작하는 것을 그리 어려운 일이 아니다. 아마도 과학 활동 동안 이러한 간이 분광기를 제작해서 눈으로 여러 광원의 스펙트름을 관찰해 본 경험이 있는 사람이 많을 것이다. 그러나 여기에서는 스펙트럼을 눈으로 관찰하는 간이 분광기 아니라, 실제로 스펙트럼을 측정하고 파일로 저장하여 여러 가지 분광학적 분석을 해 볼 수 있는 분광기를 제작하였다.
2. 라즈베리 파이 분광기의 구성 부품#
분광기를 제작하기 위해서는 먼저 회절 격자가 필요하다. 회절 격자는 거울과 같은 유리판에 홈을 파 놓은 반사형과 투명 유리판(또는 필름)에 홈을 새긴 투과형 두 가지가 있다. 이번 제작에는 저렴하게 판매되는, 투과형의 회절 격자 필름을 사각형 슬라이드에 넣은 것을 사용하였다. 대개 이러한 형태의 회절 격자 필름의 홈 밀도(groove density)는 500 lines/mm 또는 1000 lines/mm 인데, 홈 밀도가 클수록 빛의 분산이 더 잘 일어난다. 즉, 홈 밀도가 클수록 빛의 파장을 더 넓게 퍼뜨리고, 따라서 더 높은 분해능(resolution)의 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이번 제작에서는 홈 밀도 1000 lines/mm의 회절 격자 필름을 사용하였다 (그림 2).
광검출기로는 라즈베리 파이 HQ 카메라를 사용하였고, 이와 함께 HQ 카메라용 16 mm 망원렌즈를 포커스/이미징 렌즈로 사용하였다. 라즈베리 파이 HQ 카메라는 4056 x 3040 픽셀의 소니 이미지 센서를 가지고 있어 상당히 넓은 파장 범위에서 스펙트럼의 측정이 가능하다. 이 카메라 대신 PC에서 사용되는 다른 USB 웹캠을 사용하는 것도 가능하지만, 측정할 수 있는 파장 범위나 스펙트럼의 분해능에 차이가 있을 것이다.
슬릿은 도루코 안전면도날을 절반으로 잘라서 ~0.1 mm의 좁은 틈을 갖도록 배열하여 만들었다.
3. 라즈베리 파이 분광기의 구조#
분광기에서 각 구성 부품의 배치를 최적화하기 위해서는 약간의 광학 계산이 필요한데, 이 계산은 별도로 다른 글(시리즈 부분 2)에서 다루었다. 이 광학 계산을 토대로 하여 실제로 제작한 분광기의 구조는 다음 그림 3과 같다. 이 글에서는 먼저 콜리메이션 렌즈를 사용하지 읺고 분광기를 제작하였고, 추후의 글에서 콜리메이션 렌즈를 추가하는 과정을 다룰 계획이다.
광학 계산에 의하여 얻은 분광기 구성 부품의 배치와 실제 제작된 분광기의 배치 사이에는 두 가지 차이점이 있다.
라즈베리 파이 HQ 카메라의 사양 시트에는 최단 초점 거리(MOD)는 20 cm이었으나, 실제로 최단 초점 거리를 측정해 보니 MOD는 16 ~ 17 cm이었다. 따라서 광학 계산에서는 슬릿에서 회절 격자까지의 거리는 12 cm이었으나 실제 제작에서는 분광기의 길이를 줄이는 것이 유리하여 슬릿과 회절 격자 필름 간의 거리를 9 cm로 하였다.
회절 격자 다음에 배플과 이미징 렌즈는 최대한 가까이 배치하는 것이 유리하지만, 실제로 물리적으로 이들을 배치하는 데에는 약간의 여유 공간이 필요하다. 따라서 배플 2와 이미징 렌즈는 계산된 위치보다는 좀더 여유있게 배치하였다.
3.1 분광기의 외형 제작#
그림 3의 치수에 맞춰 분광기의 외형을 3D 프린트로 제작하였다. 분광기 본체는 3 부분으로 나누어 디자인하였다 (그림 4).
회절 격자 필름의 홈 밀도가 1000 lines/mm가 아닌 다른 격자 필름을 사용하는 경우에는 회절각이 달라진다. 이러한 경우를 대비하여 회절 격자 필름에 따라 달라지는 부분을 #2 한 곳으로 모아, 회절 격자 필름에 따라 이 부분만 교체하고 나머지 부분은 그대로 계속 사용할 수 있게 설계하였다.
또한 본체 #1과 #2의 바닥 부분에는 슬릿, 회절 격자 필름, 배플을 쉽게 꽂고 뺄 수 있도록 너비 10 mm, 깊이 4 mm의 홈을 만들어 놓았다.
본체 세 부분의 연결은 M3 육각 렌치 볼트(socket head screw)를 사용하여 고정하였다. 볼트를 조일 때 공간이 협소하기 때문에 육각 렌치가 가장 사용하기 편할 것이다.
그림 5-7은 3D 프린터로 인쇄한 회절 격자 홀더, 슬릿 홀더, 그리고 두 개의 배플이다. 앞에서 언급한 것처럼 이들은 분광기 본체의 바닥면에 꽂을 수 있도록 아래 부분에 발을 가지고 있다.
3.2 HQ 카메라 케이스#
라즈베리 파이 HQ 카메라는 원래 라즈베리 파이 OS 환경에서 CSI 인터페이스로 작동하므로 라즈베리 파이 환경에서 분광기를 구동시키는 것이 우선은 더 편할 수 있을 것이다. 그러나 분광기를 윈도우 환경에서 USB로 PC에 연결하여 사용할 수 있게 하는 것이 소프트웨어를 비롯한 여러 측면에서 유리할 것으로 판단되었다. 이 카메라를 윈도우 OS에서 동작하게 하는 한 가지 방법은 USB 인터페이스의 UVC 카메라로 인식하게 만드는 것이다. 이에 대한 자세한 내용은 별도의 글(시리즈 부분 3)에서 다루었다.
라즈베리 파이 HQ 카메라를 UVC 카메라로 인식하게 만든 후에는 HQ 카메라, 16 mm 렌즈, 그리고 라즈베리 파이(지금의 경우에는 라즈베리 파이 제로 2 W를 사용)를 모두 묶어서 하나의 USB 웹캠처럼 사용하는 것이 편리할 것이다. 다행히 이러한 목적으로 3D 프린트로 제작한 케이스가 이미 공개되어 있어 이를 활용하였다. (링크는 여기: PrintedLabs)
최종적으로 이 모든 것을 조립하면 다음의 그림 9와 같은 분광기가 완성된다.
4. 제작한 분광기 테스트#
제작한 분광기를 윈도우 환경에서 USB로 연결하여 구동할 수 있는 프로그램으로 Theremino Spectrometer (링크는 여기: theremino)를 사용하였다.
‘Video Input Controls’ 버튼을 클릭하여 1920 x 1080, 5 fps를 선택한 후, ‘Sensor Samples’에 나타나는 스펙트럼 띠를 보며 x-축(파장축)과 y-축(센서 높이)의 범위를 조절한다. 약간의 차이는 있겠지만, 대개의 경우 x-축은 Start: 80, End: 680 으로 설정하면 가시광선 영역(400 ~ 700nm)을 충분히 포함할 것이다.
그림 10은 제작한 분광기를 이용하여 얻은 가정용 형광등의 스펙트럼이다. 형광등에는 형광 물질과 함께 수은(Hg) 증기가 포함되어 있어, 전기 방전에 의하여 들뜬 수은 원자는 자외선과 가시광선 영역에서 고유의 특징적인 방출 스펙트럼을 보인다.
가시광선 영역의 방출 스펙트럼에서 나타나는 수은의 주요 피크는 다음과 같다.
보라색: 404.7 nm, 435.8 nm
녹색: 546.1 nm (수은 스펙트럼 중 가장 밝고 뚜렸한 피크)
노란색: 577.0 nm, 579.1 nm
그림 10의 형광등 스펙트럼에서 이들 피크는 형광 물질의 넓은 스펙트럼과 겹쳐서 매우 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
그림 11은 네온 글로우 램프(GT-NE6S1325T)의 방출 스펙트럼을 관찰한 것이다. 가시광선 영역에서는 수십 개의 선들이 나타나는데, 저분해능 분광기에서 이 선들은 몇 개의 큰 피크 무리로 뭉쳐 보인다.
네온의 가시광선 스펙트럼서 거의 반드시 보이는 특징은 아주 강한 585.25 nm 선(노랑-주황색), 강한 614.31 nm 선(주황색)과 640.22 nm 선(붉은색)이다. 그림 11의 스펙트럼에는 세 개의 무리가 보이는데, 각 무리는 이들 강한 선을 중심으로 나타난다.
