(A) study on the component analysis method using laser spectroscopy for the real time stand-off space exploration

Abstract

레이저 유도 플라즈마 분광분석법 (LIBS : Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) 은 샘플에 레이저를 조사했을 때 발생하는 플라즈마를 활용한 실시간 비접촉 성분 분석 기법이다. 레이저 에너지를 집중시켜 109 W/cm2 이상의 높은 에너지 밀도로 조사하면 샘플이 고온 고압의 플라즈마 형태로 붕괴된다. 플라즈마는 이온, 원자, 전자, 분자 등이 공존하는 상태로, 여기된 물질이 에너지를 잃고 안정한 상태로 되돌아 가면서 원소의 성분과 여기 상태에 따라 특정한 파장의 빛을 방출한다. 이때 방출된 빛의 파장을 분석하여 물질의 구성 성분을 정성•정량적으로 분석할 수 있다. LIBS는 실시간으로 물질의 성분 분석이 가능하고, 샘플의 전처리 과정 없이 비접촉으로 검출할 수 있는 기법이라는 점에서 우주 탐사 착륙선의 로버에 탑재되어 탐사 임무를 수행할 수 있다. 본 연구에서는 LIBS 기술의 우주 활용을 위한 기초 연구를 수행하였다. 실제 우주 탐사에 LIBS 기술을 적용하고 있는 NASA의 정보를 바탕으로 우주 탐사 탑재체에 요구되는 LIBS 규격을 규명하고, 우주 환경을 모사하는 진공 챔버를 구축함으로써 실제 운용 환경을 고려한 연구의 기반을 마련하였다. 레이저와 시편의 특성에 대한 신호 영향을 파악하고, 이를 낮은 압력 조건에 적용하여 변화하는 운용 환경에서도 특성의 예측이 가능하도록 데이터 베이스를 구축하였다. 위의 결과는 시스템 운용 조건과 그에 대한 결과를 물리화학적인 관점에서 분석함으로써 LIBS 연구 분야에 현재까지 알려져 있지 않았던 결론을 도출하였다. 탐사 대상 물질의 농도 분석을 위하여 우주 탐사에 적합한 표준물질을 활용하여 압력, 원소, 시편의 특성에 대한 검량선을 작성하고 특성을 규명함으로써 정량 분석 데이터 베이스를 구축하였고 특성을 예측할 수 있도록 하였다. 특히 기존의 연구와 다르게 6가지의 그룹으로 분류된 다양한 표준 물질을 사용함으로써 정량 분석 시 가장 큰 문제가 되는 매트릭스 효과를 극복하여 정확도를 향상시켰다. 또한 단변량/다변량 기법에 의한 정량 분석을 통하여 검량선의 상관계수를 향상시킴으로써 매트릭스 효과에 의한 오차를 보정할 수 있었다. 실제 탐사를 위하여 5~7 m 원거리 검출 연구가 수행되었으며, 최종적으로 소형화된 LIBS 장비를 제작하여 소형화 장비의 성능을 검증하고 탑재체로써의 LIBS 시스템 활용 가능성을 확인하였다. 실제 탐사 환경에 해당하는 저압 조건에서는 플라즈마가 급격히 팽창하여 소멸하는 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하고 저압에서의 검출 성능을 향상시키기 위하여 플라즈마의 팽창을 물리적으로 막고 팽창 방향을 제어하기 위한 confinement 기법 연구가 수행되었다. 기존에는 0.1 torr 이하의 압력 환경에서는 ICCD 검출기를 사용해야 플라즈마 검출이 가능하였는데, confinement 기법을 도입함으로써 CCD 검출기를 활용한 저압 검출이 가능하였다. 또한 신호 세기가 크게 향상되었고, 낮은 에너지로도 검출이 가능하게 됨으로써 전체 시스템의 소형화 가능성을 확인하였다. LIBS의 응용 범위로는 바이오 연료 개발 과정에서 중간 공정 장비의 손상을 야기하는 염소와 황의 검출 방법이 주목받고 있는 가운데 LIBS를 바이오 연료 개발에 접목할 수 있다. 녹색 산업의 중요성이 대두되면서 그동안 안정성을 중요시하여 규제하지 않았던 항공 매연의 규제가 이루어질 시기이므로 항공 매연의 실시간 검출에 응용되어 매연 규제 및 환경 오염 방지를 가능하게 한다. 또한 고에너지 위험 물질 검출. 독성 물질 분석을 통한 제어•관리 및 대기 중 중금속 입자의 실시간 분석, 그리고 치아, 석회화 조직, 인체 피부, 인체 모발, 박테리아 연구에 이르기까지 다양한 생체 공학 연구에 LIBS 성분 분석법이 응용되고 있다. 또한 범죄수사학적인 측면에서 지문 분석에도 적용이 가능하다. 본 연구를 통하여 LIBS 시스템을 탐사 탑재체로 활용할 수 있는 가능성을 다각도로 검증하였다. 또한 위에서 언급한 다양한 활용 분야에 있어서 본 연구의 결과는 목적에 적합한 시스템 설계를 위한 일련의 참고 자료가 될 수 있다.

The Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has great advantages as an analytical technique, namely real-time rapid analysis without sample preparation and stand-off detection capability, ideal for mobile chemical sensor for space exploration. In this research, we investigated the LIBS specification required to build the payload for space exploration and prepared the basis for real circumstances analysis by building a vacuum chamber for space environment. We also built a database to understand the effect of LIBS signals with respect to the properties of laser and samples and to predict the plasma signal under the working circumstances that changed through the application of low pressure condition. Moreover, we built a database of quantitative analysis by drawing the calibration curves with the effects of pressure, elements and samples utilizing the certified reference materials (CRMs) which are appropriate for the space exploration and investigated the characteristics of the samples. Researches of stand-off detection were carried out for further understanding of space science by considering the environmental condition. The confinement method was devised to enhance the signal for optimum plasma detection at space environment. The results obtained through this research will allow more precise mapping compared to widely used conventional elemental analyzing method in space exploration and provide a guideline for design of various LIBS experiments.