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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.

Laser Ablation Illustration

Laser Ablation: The removal of a small quantity of mass from a sample’s surface using a focused, pulsed laser beam.

LIBS Step Illustration

Initiation of a high-temperature (>15,000K) plasma above the sample surface and a rapid exansion of the plasma into the ambient medium.

LIBS-Step 3 Illustration

Emission of continuum light during early stage (< 200 ~ 300 nsec) of plasma cooling process.

LIBS-Step 4 Illustration

Emission of discrete atomic lines at later times (> 1 µsec).

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.

LIBS Step 5 Illustration

Emitted light collection by a set of optical lens and optical fiber.

LIBS Step 6 Illustration

Display of LIBS spectra and their subsequent analysis by the instrument software for both qualitative and quantitative elemental analysis

어플라이드 스펙트라는 최신의 원소분석장비를 사용하여 LIBS 기술을 다양하게 활용하고 있습니다. 저희는 빠르고, 믿을 수 있고, 정밀하며, 친환경적인 분석방법을 제공하고 있습니다. 또한 저희가 제공하는 장비는 산업현장, 제조시설, 실험실 환경 등 다양한 환경에 적용할 수 있습니다. 더 자세한 사항은 ASI의 기술영업직원에게 문의하십시오.

[1] R.E. Russo, X.L. Mao, H.C. Liu, J.H. Yoo, S.S. Mao: Appl. Phys. A 69 [Suppl.], S887–S894 (1999)

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