레이저 유도 붕괴 분광법을 이용한 석탄 내 탄소 분석 시 지연시간의 선정

Abstract

레이저 유도 붕괴 분광법(LIBS)은 시료 표면에 강력한 레이저 펄스를 집중시켜 생성된 플라즈마를 여기(exitation)원으로 사용한 원자 분광 분석법으로, 발생한 플라즈마에서 방사된 신호를 분광계에서 분석하여 시료의 조성과 양을 알아내는 방법이다. 특히 원격으로 검출이 가능하며, 미량의 시료를 분석할 수 있기 때문에 기존에 사용되던 화학적 처리 분석 기술들의 단점을 보완할 수 있는 새로운 기술이다. LIBS 시스템을 이용해 샘플 대상에 대한 원소를 정확히 정량ㆍ정성분석하고 원소의 분광선에 대한 최적의 피크를 얻기 위해서는 스펙트럼 상의 지연시간 변화에 따른 최적의 결정계수(R²)를 찾는 것이 중요하다. 기존 레이저 유도 붕괴 분광법을 이용한 시료 분석의 경우 각각의 원소 스펙트럼마다 여기 되는 원자의 지연시간이 다르기 때문에 최적의 지연시간을 찾는데 수많은 실험이 소요 되었다. 시료 중 서로 다른 농도에 따른 원소에 대해서 LIBS 시스템의 중요변수 중 하나인 지연시간에 따라 결정계수(R²) 값을 계산함으로써 원소에 따른 고유 지연시간 및 플라즈마 발생의 최적 검출 시간의 측정이 가능하다. 샘플 선정 시, 예측했던 원소분석의 결과와 정량 분석 시에 원소에 대한 스펙트럼 분석이 고려되어야 농도에 대한 신호의 검량선을 작성할 수 있고, 그에 따른 지연시간을 정할 수 있다. 본 연구에서는 기존 분석기법인 부분최소자승법(partial least squares, PLS), 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)와의 방법과 비교하여 석탄 내 원소의 추정 농도 분석 및 최적의 지연시간을 찾는 상관분석(correlation analysis, CA)을 제시하였다. 상기의 방법과 비교 및 분석을 통해 지연시간의 추이와 결정계수를 통계적 방법으로 분석하였다. 레이저 유도 붕괴 분광법의 효율적인 측정을 위해 미분탄의 시료를 실험에 적합하도록 펠렛 형태의 샘플로 제작하였다. 다양한 분석방법의 결정계수 값 비교를 통해 지연시간 별 석탄 내 탄소 성분 농도에 따른 신호세기가 선형적으로 분석되었으며, 이를 통해 최적의 지연시간 선정을 위한 결정계수(R²) 값을 도출하였다. 또한, 부분최소자승법, 신호 대 잡음비, 상관분석의 각 원소(C, H, O, S)에 대한 검정곡선 추이를 바탕으로 기존 화학분석과의 발열량 오차를 산출할 수 있었다.