FT-IR 스펙트럼 읽기 ① : FT-IR은 무엇을 보여주는 장비일까?

  에폭시계 접착제를 개발하다 보면 접착력과 Tg만큼 자주 확인하는 것이 하나 있다. 바로 이 재료가 정말 내가 생각하는 화학 구조를 가지고 있는가이다. 새로운 원료를 적용했을 때, 예상과 다른 결과가 나왔을 때, 또는 기존 제품과 무엇이 달라졌는지 확인해야 할 때, 연구원들이 가장 먼저 찾는 분석기기 중 하나가 바로 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, 적외선 분광법)이다. DSC가 열의 변화를 보고, DMA가 강성의 변화를 본다면, FT-IR은 분자의 구조와 화학 결합에 대한 정보를 보여주는 장비이다. 그래서 많은 연구원들은 FT-IR을 '분자의 지문을 확인하는 장비'라고 표현하기도 한다.

 

FT-IR은 무엇을 측정할까?

 

  FT-IR은 적외선을 시편에 통과시키거나 반사시켜, 어떤 파장의 적외선이 흡수되는지를 측정하는 장비이다. 분자는 여러 원자들이 서로 결합하여 만들어져 있고, 이 결합들은 일정한 에너지를 가진 적외선을 만나면 고유한 방식으로 진동하게 된다. 예를 들어, 어떤 결합은 길이가 늘어났다 줄어드는 신축 진동(Stretching)을 하고, 어떤 결합은 각도가 변하는 굽힘 진동(Bending)을 한다. FT-IR은 이러한 진동을 직접 보는 것이 아니라, 어떤 에너지의 적외선을 흡수했는지를 측정하여 스펙트럼으로 표현하는 장비이다. 즉, FT-IR이 알려주는 것은 "이 분자 안에는 어떤 화학 결합이 존재하는가?"에 대한 정보이다.

 

왜 하필 적외선일까?

 

  빛에는 다양한 종류가 있다. 자외선(UV)은 전자를 들뜨게 하고, 가시광선은 우리가 눈으로 볼 수 있는 빛이다. 반면 적외선(IR)은 분자의 진동 에너지와 비슷한 에너지를 가지고 있다. 그래서 적외선이 분자에 닿으면 특정 화학 결합만 선택적으로 에너지를 흡수하며 진동하게 된다. 이 원리를 이용하여 FT-IR은 다양한 화학 결합을 구분하고, 재료의 구조를 분석하게 된다.

 

왜 '분자의 지문'이라고 부를까?

 

  사람마다 지문이 다르듯, 화학 구조가 다른 물질은 서로 다른 FT-IR 스펙트럼을 가진다. 물론 완전히 같은 구조의 재료라면 매우 비슷한 스펙트럼이 나타난다. 하지만 말단기(End Group)가 달라지거나, 경화가 진행되어 새로운 결합이 생성되거나, 첨가제가 달라지는 것만으로도 스펙트럼은 조금씩 달라질 수 있다. 특히 1500 cm⁻¹ 이하 영역은 다양한 결합이 복합적으로 나타나기 때문에 사람의 지문처럼 물질마다 고유한 형태를 가지며, 이 영역을 Fingerprint Region(지문 영역)이라고 부른다. 그래서 FT-IR은 흔히 '분자의 지문을 확인하는 장비'라고 불린다.

 

---

📒 개발 노트 | 학교에서는 Peak를 외웠지만, 연구소에서는 스펙트럼을 비교했다.

 

  학교에서 FT-IR을 처음 배울 때는 주요 Peak의 위치를 외우는 것이 먼저였다. O-H는 어디에 나타나는지, C=O는 몇 cm⁻¹인지, Epoxy Ring Peak는 어디에 있는지를 암기하며 공부했다. 하지만 실제 연구소에서는 Peak를 하나씩 외우기보다 두 개의 스펙트럼을 겹쳐 놓고 무엇이 달라졌는지를 먼저 비교하는 경우가 훨씬 많았다.

 

 - 새로운 원료를 적용했을 때,

 - 원료의 Lot이 변경되었을 때,

 - 공급업체가 변경되었을 때,

 - 경화 조건을 변경했을 때,

 - 그리고 불량 원인을 분석할 때

 

  도 마찬가지였다. 연구원이 가장 먼저 찾는 것은 "이 Peak가 몇 cm⁻¹인가?"가 아니라, "기존과 무엇이 달라졌는가?"였다. 그래서 개인적으로 FT-IR은 Peak를 외우는 장비라기보다, 변화를 비교하는 장비라고 생각하는 것이 좋다.

---

 

  FT-IR은 화학 구조를 이해하는 데 매우 강력한 분석기기이지만, 기계적 강도나 Tg, 접착력과 같은 물성을 직접 알려주지는 않는다. 그래서 실제 개발에서는 DSC, DMA, TMA, Rheometer와 같은 다른 분석기기와 함께 결과를 비교하며 재료를 이해해야 한다.

 

  처음 FT-IR 스펙트럼을 보면 수많은 Peak 때문에 어디부터 봐야 할지 막막하게 느껴진다. 하지만 실제 연구원들은 모든 Peak를 하나씩 읽지 않는다. 먼저 확인하는 영역이 있고, 목적에 따라 가장 중요하게 보는 Peak도 달라진다. 다음 글에서는 FT-IR 스펙트럼의 x축과 y축은 무엇을 의미하는지, 그리고 연구원들은 어떤 순서로 스펙트럼을 읽는지를 함께 살펴보려고 한다.