LIBS란 무엇인가?

레이저 유도 플라즈마 분광법(Laser Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS)은 분석시료 표면에 마이크로-플라즈마를 만들기 위해 짧은 레이저 펄스를 사용하여 분석하는 빠른 화학적 분석 기술입니다. 이 분석 방법은 다른 원소분석 방법에 비하여 훨씬 뛰어난 다음과 같은 여러 가지 장점들을 가지고 있습니다:

• 샘플 용해 과정 불필요 (No sample preparation)
• 작은 영역(수 십 ㎛)의 경우 수 초에 불과한 빠른 측정 시간
• H, Be, Li C, N, O, Na, Mg 등의 경원소를 포함하는 폭넓은 원소 측정 범위
• 시료표면의 신속한 표면적 분석과 심도분포분석(depth profiling)을 포함하는 다양한 시료분석방법
• 기질(substrate)의 간섭을 받을 우려가 없는 얇은 박막 분석에 탁월

중금속 원소에 대한 일반적인 LIBS 검출 한계는 수~수십 ppm 범위 내입니다. LIBS는 금속, 반도체, 유리, 생물조직, 절연체, 플라스틱, 토양, 식물, 얇은 페인트 코팅, 전자 재료를 포함한 다양한 시료와 구조물질에 적용할 수 있습니다.

그렇다면 LIBS는 어떠한 방식으로 작동하나요?

LIBS 기술의 핵심적인 물리과정은 짧은 레이저 펄스에 의해 유도되는 고온의 플라스마의 형성입니다. 짧은 펄스(short-pulse)의 레이저 빔이 시료표면에 집광되면, 레이저 어블레이션(Laser Ablation)이라고 알려진 과정을 통해 시료로부터 아주 적은 질량이 미립자 형태로 떨어져 나오게 됩니다. 즉, 가열 및 비가역적 메커니즘을 통해 떨어져 나온 미립자는 높은 에너지 밀도를 가지는 레이저 에너지 환경에서 플라즈마를 형성하게 됩니다. 이렇게 형성된 초기 플라즈마는 온도가 약 30,000K를 넘을 수 있다는 것이 여러 가지 기초과학 연구 프로젝트들을 통해 밝혀져 왔습니다 [1].

레이저 에너지 집광이 끝나면, 플라즈마는 냉각되기 시작합니다. 플라즈마의 냉각과정 동안 들뜬(exciting) 상태인 원자 및 이온의 전자는 원래의 바닥 상태(ground state)로 떨어지며, 들뜬 전자의 에너지 준위차이로 인해 플라즈마는 불연속 스펙트럼을 가지는 빛을 방출하게 됩니다. LIBS 스펙트럼 분석을 실시하기 위하여, 플라즈마로부터 방출된 빛을 집광하여 ICCD/분광기의 검출장비로 전달합니다. 주기율표 내 각 원소들은 고유의 LIBS 스펙트럼을 가지고 있습니다. 따라서 분석된 시료에 대한 여러 가지 peak을 식별함으로써, 시료의 화학적 구성을 신속, 정확하게 알아낼 수 있습니다. 일반적으로 LIBS peak 강도(peak intensity)에 대한 정보는 시료 내 미량원소 및 주원소의 농도를 산출하는데 사용할 수 있습니다.