[탁도의 교정]

탁도를 제대로 알아야 교정이 가능하다.

탁도는 맨 처음 소개에도 말했듯이 입자 따위의 광학적으로 밀한 함유물이 산란 복사 및 흡광을 유발, 매체 투명도를 감소하는 현상이다.
탁도란 정말이지 일상적이다. 탁도에 있어 투명도 불량, 대비 감소, 측면 광도 등의 특징에 주목한다. 이런 효과는 전부 광 산란의 광학 현상 때문이다. 산란광의 예로 가장 아름다운 사례를 들자면 우리가 흔히 볼 수 있는 하늘의 푸른색과 일몰의 붉은 색이 있다. 요즘은 복보기 힘들어 아쉬울 뿐이다.
매체에 이물이 함유한 경우 용해상태든 부유입자 상태든 둘 중 하나다. 용액이라면 최소 입자는 분자나 이온이다. 서스펜션이라면 최소 입자는 개별 알갱이다. 두 경우 모두 분자가 셀 수 없이 많이 모인 결과다.

탁도는 정성적 현상이며 정량적으로 나타내면 탁도 값이다. 매체 내 산란 입자 농도 정보를 얻는데 탁도 측정의 목적이 있다. 탁도 측정 방식은 두 종류인데 둘 사이에는 근본적인 차이가 있다. 하나는 투과광의 빛 손실을 측정하고 나머지 하나는 측면에서 산란광의 강도를 측정한다. 산란계수가 입사광에서 산란광으로 빠져나간 총합을 나타낸 반면 산란강도는 주어진 각도에서 얼마만큼의 산란광이 굴절하였는지를 나타낸다.
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투과광의 빛 손실을 측정 & 측면에서 산란광을 측정

두 변수 모두 입자 농도에 비례하므로 탁도 측정에 적합하다. 그러나 농도에 따라 적용 면에서 차이를 보인다. 산란강도 측정은 저농도를 감지할 수 있는 반면 투과 측정은 고농도에 사용한다. 이유인 즉 다중산란 현상 때문이다. 농도가 낮으면 공간이 충분하므로 주어진 입자가 빛을 산란하였을 때 산란광 전파에 지장이 없다(단순 산란). 반면에 농도가 높으면 이런 현상이 나타난다. 광원 가까이에서 입자가 입사광을 가로막는 경향이 있고, 산란광도 더 이상 자유롭게 전파하지 않는다. 결국 산란강도 증가가 농도에 비례하지 않는다.​

대략 10 FTU까지가 단순 산란이다. 그러나 실지로는 전자적으로 선형화하기 때문에 농도가 훨씬 높은 상황에서도(최대 2000 FTU) 산란강도 측정이 가능하다. 측정 가능 최저 탁도는 미광이 얼마인지에 달렸다.​
투과 광 손실 측정은 고농도 취급이 가능한 대신 저농도에서 제약이 있다. 신뢰할만한 수준으로 투과광 감쇠를 측정하려면 입자가 아주 많이 필요하다는데 문제가 있다. 실제 투과 측정으로는 50~20,000 FTU까지 취급할 수 있다.
표준 서스펜션과의 비교를 통해, 즉 레퍼런스 용액으로(포마진이 일반적) 탁도계를 교정함으로써 탁도 값을 실용적으로 해석할 수 있다. 기기를 포마진으로 교정하였다면 어떤 포마진 농도라도 정확히 읽어낸다. 그러나 포마진 외 기타 탁도 매체를 측정하는 경우 탁도 값과 고형물 농도 간 상관관계를 정확히 하기 에는 무리가 있는데 매체와 관련하여 입자 크기 및 입자의 굴절률이 출력에 영향을 미치기 때문이다.
빛의 파장, 산란각, 광학 구성, 교정 및 색 보정에 관련하여 특성이 동일한 경우에 한해 타 기기 출력 값을 서로 비교할 수 있다.산업 공정에서 연속 측정 목적으로 사용하려면 안정성이 매우 뛰어나야 하므로 광도계에 어떤 측정 기법을 적용하였느냐가 절대적으로 중요하다.
산란광 강도로 탁도 값을 측정하는데 있어 입자 크기, 수량, 굴절률과 마찬가지로 사용 광 파장도 결과에 특정 영향을 미친다.
산란강도는 부분적으로 입자 지름 d와 파장 λ에 좌우하며 파장의 제곱에 비례한다.

Isc = λ2 · Isc(d, λ)

살펴보았듯이 탁도를 측정하려면 결국 빛이 필요하다. 진공에서 빛의 속도로 퍼져나가는 전자기파. 물리학에서는 빛을 이렇게 정의한다. 매체를 지나면 물질 상수(복합 굴절률)가 파의 진행에 영향을 미친다. 전자기파 특성은 다음 두 개 변수에 좌우한다. 파장은 빛의 색을 결정하고 강도는 빛줄기, 즉 단위 단면적당 에너지 흐름 비를 결정한다. 가시광선의 범위는 400nm(보라색)부터 700nm(적색)에 이른다. 수광소자 대부분은 그보다 넓은 250~800nm 범위를 측정한다.
빛이 단일 파장으로만 구성한 경우 단색광 즉, 단색성이라 한다. 말하자면 순수 스펙트럼 색으로 음향학의 사인 곡선 음에 비교할 수 있다. 일광 및 인조 광원은 레이저를 제외하고 다색광에 해당하며 여러 파장 구성이다. 다색광은 둘 이상의 파장으로 구성한다. 즉, 다색성이다.

한편 탁도를 측정하려면 선형성도 중요한데 선형성이란 측정범위 내 영점과 최대치를 직선으로 잇고, 여기서 벗어나는 최대 편이를 말한다. 따라서 탁도 값을 실지로 해석함에 있어 일을 용이하게 하려면 탁도계를 표준 서스펜션에 대해 교정해야 한다. 따라서 측정 광의 세기가 아니라 교정 서스펜션의 농도 형태로 출력을 표현한다. 그러므로 대상 용액이 결과 값에 표시한 농도의 표준 서스펜션만큼 빛을 산란한다.

기체 및 액체에 아무 입자가 없음에도 분자가 무질서한 까닭에 산란광이 발생한다. 액체에서는 상기 무질서가 밀도 변동을 유발하는데 그 효과가 마치 입자라도 되는 양 상당한 수준으로 빛을 산란한다.
만약 다중산란이 발생되는 경우라면 산란광 강도로 탁도 값 측정 시 오차의 원인이 있다. 고탁도 상황에서 색 보정 없이 산란광 강도를 있는 그대로 측정하면 일단은 감도가 낮게 나온다. 농도가 상승하는데도 불구하고 출력은 정점에 이른 다음 하락하는 모습을 보이는데 꼭 다중 산란 현상이 이런 결과를 초래한다. 그 이유는 입자가 광원 가까이에서 입사광을 가로막는 탓에 산란광이 자유로이 전파하지 못하기 때문이다.
그러나 매체에 광선 둘을 투과하면 다중 산란에서 양쪽 모두가 감쇠하여 특성 곡선이 전도하지 않는다. 따라서 곡선이 분명할뿐더러 고농도에서 출력이 낮게 나올 일도 없다.

탁도를 측정하면서 입자 색에 대한 논란도 많다. 그것은 입자 색이 산란광 강도에 미치는 영향을 대체로 과대평가하는 경향이 있다. 일례로 흔히들 검은 입자는 빛을 산란하지 않으리라 생각한다. 그러나 검은 입자 역시 엄연히 빛을 산란한다. 그을음, 흑연, 석탄은 탄소를 기본으로 형태를 달리 한 물질인데 산란광 강도 규모 면에서 백색 규조토나(SiO2) 차이가 없다. 다시 말해 입자 크기가 다양할 때 그을음과 백색 규조토가 공기 및 물에서 빛의 산란이 입자 크기에 크게 의존한다는 점을 반영한다. 입자가 빛을 산란해 산란광이 발생하므로 결국 주어진 서스펜션의 탁도는 대상 입자 크기에 크게 의존할 수밖에 없다는 결론이다.
만약 서스펜션 내 입자 크기에 변동이 발생한다 하여도 입자 수든 입자 질량 총합이든 둘 중 하나는 변함이 없다. 결정이 성장하거나 경수 성분이 축적하는 경우가 전자(입자 수 불변)에 해당하겠고, 분해 또는 응집이 후자(질량 총합 불변)에 해당한다. 산란광 강도에 있어 상기 사례별로 효과가 현저히 다르게 나타나기 때문에 위와 같이 구분해서 볼 필요가 있다.
한편 입자 수가 동일하다는 가정 하에 입자 지름이 0.3μm 이상이면 산란광 강도가 입자의 유효단면 제곱에 비례하여 증가하고 입자가 0.3μm 미만으로 극히 작은 경우라면 산란광 강도는 부피의 제곱, 즉 지름의 6승에 비례하여 증가한다.

여기서 만약 질량 총합이 일정한 경우라면 이야기가 완전히 다르다. 0.3μm를 기점으로 해 그 이상 넘어가면 산란광 강도가 지름의 역수에 비례하여 감소한다. 입자 지름은 제곱에 비례하여 증가하지만 그래 봤자 입자 수에서 세제곱근 비례로 감소하기 때문이다. 0.3μm 미만이면 산란광 강도는 지름의 세제곱에 비례하여 증가한다.
서스펜션에서 입자 크기가 죄다 똑같으면 단순분산이라 하는데, 그런 경우가 있을 리 만무하다. 정상적인 경우 입자 크기가 분포하여 복잡분산이라 한다. 그럼에도 불구하고 행태는 기본적으로 위의 그래프를 벗어나지 않는다.

Tip
[탁도의 재현성]
환경(기기, 장소, 운용방식, 시간)을 달리하여 동일 물질을 2회 측정하였을 때 정확도가 일치하는 정도를 나타낸다. 상기 환경을 선택함에 있어 해당 ISO 표준에 아무런 제한이 없으므로 별도의 조건을 명시하지 않는 한 재현성 내용은 의미가 없다.

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