굴절계

섬네일|휴대용 굴절계
굴절계(refractometer)는 굴절률을 측정하는 실험실 또는 현장 장치이다(굴절률 측정). 굴절률은 스넬의 법칙을 사용하여 관찰된 굴절 각도에서 계산된다. 혼합물의 경우, 굴절률은 글래드스톤-데일 관계 및 로렌츠-로렌츠 방정식과 같은 혼합 규칙을 사용하여 농도를 결정할 수 있게 한다.

 굴절률 측정 
표준 굴절계는 액체 또는 고체 상태의 투명 물질에 대한 빛의 굴절 정도(굴절률의 일부로)를 측정한다. 이는 샘플을 식별하고, 샘플의 순도를 분석하며, 액체 샘플 내 용해된 물질의 양 또는 농도를 결정하는 데 사용된다. 빛이 공기에서 액체를 통과할 때 속도가 느려지고 ‘구부러지는’ 환상이 생긴다. ‘구부러지는’ 정도는 액체에 용해된 물질의 양에 따라 달라진다. 예를 들어, 한 잔의 물에 있는 설탕의 양과 같다.

 종류 

굴절계에는 네 가지 주요 유형이 있다: 전통적인 휴대용 굴절계, 디지털 휴대용 굴절계, 실험실 또는 아베 굴절계(장비의 발명가를 따서 명명되었으며 에른스트 아베의 원래 '임계각' 설계에 기반함) 및 인라인 공정 굴절계이다. 기체의 굴절률을 측정하는 데 (일반적으로) 사용되는 레일리 굴절계도 있다.

임상병리학에서는 혈액 샘플의 총 혈장 단백질과 소변 샘플의 소변 비중을 측정하는 데 굴절계를 사용한다.

약물 진단에서는 사람 소변의 비중을 측정하는 데 굴절계를 사용한다.

보석학에서 보석 굴절계는 보석 연구실에서 사용되는 기본적인 장비 중 하나이다. 보석은 투명한 광물이므로 광학적 방법으로 검사할 수 있다. 굴절률은 물질의 화학적 조성에 따라 달라지는 재료 상수이다. 굴절계는 보석의 굴절률을 측정하여 보석 재료를 식별하는 데 사용되며, 이는 보석의 종류를 결정하는 데 사용되는 주요 특성 중 하나이다. 굴절률이 사용되는 빛의 파장(즉, 분산)에 따라 달라지기 때문에, 측정은 일반적으로 약 589nm의 나트륨 선 D-선(NaD) 파장에서 이루어진다. 이는 주광에서 걸러내거나 단색 발광 다이오드(LED)로 생성된다. 루비, 사파이어, 전기석, 토파즈와 같은 특정 보석은 광학적으로 비등방성이다. 이들은 빛의 편광 면에 따라 복굴절을 나타낸다. 두 가지 다른 굴절률은 편광 필터를 사용하여 분류된다. 보석 굴절계는 고전적인 광학 기기뿐만 아니라 디지털 디스플레이가 있는 전자 측정 장치로도 사용할 수 있다.

해수어항 취미에서는 굴절계를 사용하여 물의 염분과 비중을 측정한다.

자동차 산업에서는 굴절계를 사용하여 냉각수 농도를 측정한다.

기계공업에서는 굴절계를 사용하여 가공 공정을 위한 수성 냉각수에 첨가된 냉각수 농축액의 양을 측정한다.

홈브루잉에서는 양조 굴절계를 사용하여 발효 전 비중을 측정하여 알코올로 전환될 수 있는 발효성 설탕의 양을 결정한다.

브릭스 당도 굴절계는 종종 잼, 마멀레이드, 꿀을 포함한 보존식품을 만드는 취미가들이 사용한다. 양봉에서는 브릭스 굴절계를 사용하여 꿀의 수분 함량을 측정한다.

 자동 

섬네일|자동 굴절계의 개략도: LED 광원은 넓은 범위의 각도 아래에서 샘플과 접촉하는 프리즘 표면에 이미징된다. 프리즘 재료와 샘플 간의 굴절률 차이에 따라 빛은 부분적으로 투과되거나 완전 반사된다. 완전 반사의 임계각은 입사각의 함수로 반사된 빛의 강도를 측정하여 결정된다.

자동 굴절계는 샘플의 굴절률을 자동으로 측정한다. 샘플의 굴절률 자동 측정은 전반사 임계각의 결정을 기반으로 한다.
일반적으로 수명이 긴 LED 광원이 렌즈 시스템을 통해 프리즘 표면에 초점을 맞춘다. 간섭 필터는 지정된 파장을 보장한다. 프리즘 표면의 한 지점에 빛을 집중함으로써 넓은 범위의 다른 각도가 커버된다.
"자동 굴절계의 개략도" 그림에 표시된 대로 측정된 샘플은 측정 프리즘과 직접 접촉한다. 굴절률에 따라 임계각 미만의 입사광은 샘플로 부분적으로 투과되는 반면, 더 높은 입사각의 경우 빛은 완전 반사된다. 입사각에 따른 반사광 강도의 이러한 의존성은 고해상도 센서 배열로 측정된다. CCD 센서로 촬영된 비디오 신호로부터 샘플의 굴절률을 계산할 수 있다.
전반사 각도를 감지하는 이 방법은 샘플 속성과 무관하다. 광학적으로 밀도가 높고 강하게 흡수하는 샘플 또는 기포나 고체 입자를 포함하는 샘플의 굴절률을 측정하는 것도 가능하다. 또한 소량의 마이크로리터만 필요하며 샘플을 회수할 수 있다. 이 굴절각 결정은 진동 및 기타 환경 교란과 무관하다.

 파장의 영향 

주어진 샘플의 굴절률은 모든 재료에 대해 파장에 따라 달라진다. 이 분산 관계는 비선형이며 모든 재료의 특징이다. 가시광선 범위에서는 파장이 증가함에 따라 굴절률이 감소한다. 유리 프리즘에서는 흡수가 거의 관찰되지 않는다. 적외선 파장 범위에서는 여러 흡수 최대치와 굴절률 변동이 나타난다. 굴절률에서 최대 0.00002의 정확도로 고품질 측정을 보장하려면 파장을 정확하게 결정해야 한다. 따라서 현대 굴절계에서는 다른 분산을 가진 샘플에 대해 정확한 결과를 보장하기 위해 파장을 +/-0.2nm의 대역폭으로 조정한다.

섬네일|현대 자동 굴절계

 온도의 영향 

온도는 굴절률 측정에 매우 중요한 영향을 미친다. 따라서 프리즘 온도와 샘플 온도를 고정밀로 제어해야 한다. 온도를 제어하는 여러 가지 미묘하게 다른 설계가 있지만, 고정밀 온도 센서와 펠티에 장치와 같이 샘플과 프리즘의 온도를 제어하는 모든 장치에 공통적인 몇 가지 주요 요소가 있다. 이러한 장치의 온도 제어는 샘플 온도의 변화가 감지할 수 있는 굴절률 변화를 유발하지 않을 만큼 충분히 작도록 설계되어야 한다.

과거에는 외부 수조를 사용했지만 더 이상 필요하지 않다.

 자동 굴절계의 확장된 기능 

자동 굴절계는 마이크로프로세서 제어 전자 장치이다. 이는 높은 수준의 자동화를 가질 수 있으며 다른 측정 장치와 결합할 수도 있음을 의미한다.

 플로우 셀 
몇 마이크로리터용 플로우 셀부터 측정 프리즘을 중간에 청소하지 않고도 빠른 샘플 교환을 위한 충전 깔때기가 있는 샘플 셀에 이르기까지 다양한 유형의 샘플 셀을 사용할 수 있다. 샘플 셀은 독성 및 유해 샘플을 샘플 노출을 최소화하면서 측정하는 데에도 사용할 수 있다.
마이크로 셀은 몇 마이크로리터의 부피만 필요하며, 고가의 샘플의 회수를 보장하고 휘발성 샘플 또는 용매의 증발을 방지한다. 또한 굴절계 프리즘에 샘플을 자동으로 채우기 위한 자동화 시스템에서도 사용할 수 있다.
깔때기를 통해 샘플을 편리하게 채울 수 있도록 충전 깔때기가 있는 플로우 셀을 사용할 수 있다. 이는 품질 관리 응용 분야에서 빠른 샘플 교환에 사용된다.

 자동 샘플 공급 
섬네일|다수의 샘플을 자동으로 측정하기 위한 샘플 교환기가 있는 자동 굴절계

자동 굴절계에 플로우 셀이 장착되면 샘플은 주사기 또는 연동 펌프를 사용하여 채울 수 있다. 현대 굴절계는 내장형 연동 펌프 옵션이 있다. 이는 장비 소프트웨어 메뉴를 통해 제어된다. 연동 펌프는 실험실에서 배치 프로세스를 모니터링하거나 사용자 상호 작용 없이 하나의 샘플에 대해 여러 측정을 수행할 수 있는 길을 열어준다. 이는 사람의 오류를 제거하고 높은 샘플 처리량을 보장한다.

많은 수의 샘플에 대한 자동 측정이 필요한 경우, 현대 자동 굴절계는 자동 샘플 교환기와 결합될 수 있다. 샘플 교환기는 굴절계에 의해 제어되며 샘플 교환기의 바이알에 배치된 샘플의 완전 자동 측정을 보장한다.

 다중 매개변수 측정 

섬네일|향료 및 향수 산업에서 널리 사용되는 자동 굴절계와 밀도계의 측정 조합

오늘날의 실험실은 샘플의 굴절률뿐만 아니라 효율적인 품질 관리를 수행하기 위해 밀도 또는 점도와 같은 몇 가지 추가 매개변수를 측정하기를 원한다. 마이크로프로세서 제어 및 여러 인터페이스 덕분에 자동 굴절계는 컴퓨터 또는 밀도계, pH 미터, 점도계와 같은 다른 측정 장치와 통신하여 굴절률 데이터 및 밀도 데이터(및 기타 매개변수)를 하나의 데이터베이스에 저장할 수 있다.

 소프트웨어 기능 
자동 굴절계는 굴절률만 측정하는 것이 아니라 다음과 같은 많은 추가 소프트웨어 기능을 제공한다.
 소프트웨어 메뉴를 통한 장비 설정 및 구성
 데이터베이스로의 자동 데이터 기록
 사용자 구성 가능한 데이터 출력
 측정 데이터 내보내기
 통계 기능
 다양한 응용 분야를 위한 사전 정의된 방법
 자동 검사 및 조정
 프리즘에 충분한 양의 샘플이 있는지 확인
 결과가 타당한 경우에만 데이터 기록

 제약 문서화 및 검증 

굴절계는 종종 원료 중간재 및 최종 제품의 품질 관리를 위한 제약 응용 분야에서 사용된다. 의약품 제조업체는 FDA 21 CFR Part 11, GMP, Gamp 5, USP<1058>와 같은 여러 국제 규정을 따라야 하며, 이는 많은 문서화 작업을 요구한다. 자동 굴절계 제조업체는 사용자 수준, 전자 서명 및 감사 추적을 통해 21 CFR Part 11의 요구 사항을 충족하는 장비 소프트웨어를 제공하여 이러한 사용자를 지원한다. 또한, 제약 검증 및 자격 패키지에는 다음이 포함된다.
 자격 계획(QP)
 설계 자격(DQ)
 위험 분석
 설치 자격(IQ)
 운영 자격(OQ)
 체크리스트 21 CFR Part 11 / SOP
 성능 자격(PQ)

 일반적으로 사용되는 눈금 
 브릭스 당도
 외슐레 눈금
 플라토 눈금
 보메 비중계

 같이 보기 

 에른스트 아베
 굴절률
 보석학
 머스트 중량
 포도주 양조
 수확 (와인)
 비중 (맥주)
 액상과당
 절삭유
 독일의 발명가 및 발견가
 고굴절률 폴리머

 각주 

 추가 자료 
 

 외부 링크 
 Refractometer – Gemstone Buzz 사용법, 절차 및 제한 사항.
 Rayleigh Refractometer: Operational Principles 
 Refractometers and refractometry 굴절계 작동 방식 설명.

분류:규모
분류:계측기