RENO[1], Daya Bay[2], SNO+[3, 4], Double CHOOZ[5], JUNO[6], 그리고 향후 국내 중성미자 실험들에서는 SNO+ 협업진이 제안한 선형 알킬 벤젠 (linear alkyl benzene; LAB, C6H5-CnH2n+1,n=10–13)이 선호되었고, 앞으로도 사용될 가능성이 높다[7]¹. 또한 국내 중성미자 실험에서 LAB을 기본 용매로 한 액체섬광검출용액이 주요하게 활용되었다. 위생 세제의 전구체로 대량 생산되는 LAB은 페닐기에 알킬 사슬이 붙은 유도체 형태로 존재하며, 약 0.5%–3% 사이로 복잡한 화학적 불순물을 포함하고 있으며, LAB 기반 액체섬광검출용액의 용매 광학적 특성에 큰 영향을 미친다.

불순물의 존재는 LAB의 전자구조 형태와 전자 전이에 영향을 주어 자외선/가시광선 (Ultraviolet/Visible; UV/VIS) 스펙트럼에 반영이 된다. 특히 350 nm 이상에서 최대 여기를 보여주며, 350–550 nm 범위에서 광 감쇄 길이를 상당히 감소시킬 수 있다. 이는 390 nm 이상에서 투명한 아크릴과 380–500 nm 범위에서 민감한 흡수 창을 갖는 광전증배관 (Photomultiplier tube, PMT)에 있어서 매우 중요한 요소이다. 중성미자와 표준모형 입자 간의 상호작용 결과로 발생한 빛이 광전증배관에 효과적으로 도달하기 위해서는 용매와 용질의 물리 화학적 성질, 그리고 광 감쇠 거리에 영향을 주는 불순물 존재 파악이 필수적이다.

원자 및 분자들의 이런 특징과 성질 분석을 위해 사용하는 다양한 빛의 스펙트럼과 대응하는 에너지 전이, 파장 (nm), 파수 (cm-1), 그리고 에너지 (eV)를 Table 1에 정리하였다. 물질들의 전자구조와 전자전이에 관련된 UV/VIS 스펙트럼 영역은 파장은 200–800 nm, 파수는 12,500–1,250 cm-1, 에너지는 6.2–1.55 eV에 해당된다. 적외선 (Infrared; IR) 영역은 주로 분자의 진동 전이와 관련되어 있으며, 파장은 2.5–25 μm, 파수는 4,000–400 cm-1, 에너지는 0.5–0.05 eV에 해당된다. 이전 논문[8]이 액체섬광검출용액을 구성하는 물질들의 전자구조와 전자전이를 중심으로 UV/VIS 스펙트럼을 다루었다면, 본 연구는 물질들의 진동 전이에 초점을 맞추어 IR 스펙트럼의 실험과 이들의 결과를 분석하였다. 특히 실험 결과와 함께 이론적 IR 스펙트럼 계산결과를 보여주기위해, 양자 화학 계산 툴인 가우시안16 (Gaussian16; G16)[9]을 논문 전반에서 사용되었다².

Table 1 Overview of spectral regions with corresponding energy transitions, wavelengths, energies, and wavenumbers.

Spectrum Classification	Energy Transitions	Wavelength Range (nm)	Wavenumber (cm​-1)	Energy (eV)
X-rays	Bond breaking	0.01–10	106–109	124 – 124 × 103 eV
Ultraviolet	Electronic	200–400	25,000–50,000	3.10–6.20
Visible		400–800	12,500–25,000	1.55–3.10
Infrared	Vibrational	2,500–25,000	400–4,000	0.05–0.5
Microwave	Rotational	106–109	0.01–10	1.24 × 10-6 – 1.24 × 10-3
Radio frequencies	Electronic spin	106–107	1–10	1.24 × 10-4 – 1.24 × 10-3
	Nuclear spin	109–1010	10-3–10-2	1.24 × 10-7 – 1.24 × 10-6

본 논문에서는 액체섬광검출용액의 용매인 LAB과, 두 용질인 2,5-Diphenyloxazole (약칭 PPO, C​15H​11NO)와 1,4-Bis (2-methylstyryl) benzene (약칭 bis-MSB, (CH​3C​6H​4CH=CH)​2C​6H​4), 각 물질들의 IR 측정 실험 결과와 분석을 앞서 소개한다. 이 연구에서 사용된 LAB, PPO, bis-MSB는 모두 벤젠 고리를 기본으로 포함하며, 이 고리 구조는 IR 영역에서 고유한 진동 모드들을 포함하고 있다.

또한 벤젠 고리에 연결된 선형 알킬 사슬 (linear alkyl chain)과 주요 작용기 (functional group)들도 IR 스펙트럼 상에서 특정 흡수 피크들³을 형성하여 나타내는데, 이런 특정 흡수 피크들의 위치와 강도는 각 물질을 식별하는 중요한 `지문'을 제공하며, 더 나아가 특정 환경에서 어떻게 반응할지를 추정하는 데에도 큰 도움을 줄 수 있다.

AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) SDBS (Spectral Database for Organic Compounds)[10]와 비교 검토 한 결과 다음과 같다. 사슬 길이에 따라 IR 스펙트럼 상에서 흡수 위치는 알킬 사슬 길이에 따라 크게 변하지 않고, 흡수 강도는 사슬 길이가 길어질수록 감소하는 경향이다. 실험 비교 분석 결과, 보고된 질량 스펙트럼에서 많은 성분비를 차지하면서, 가장 긴 알킬 사슬의 길이를 갖는 C12 (트리데실벤젠, tridecylbenzene, C₁₈H₃₀)를 기준 분자로 선택하였다[1]. IR 스펙트럼 데이터 (SDBS-NO.:1247)를 실험 샘플 A (LAB) 결과와 비교해 본 결과, 흡수 대역 위치는 거의 완벽하게 일치하였다. PPO와 bis-MSB의 경우는 가루 형태로 IR 스펙트럼을 측정하였고, 이 데이터를 AIST SDBS의 PPO (SDBS-NO.:15364), bis-MSB (SDBS-NO.:50534) 데이터 및 가우시안 16 계산 결과와 비교 분석하였다. PPO의 실험 결과는 SDBS 데이터와 피크 위치가 일치하였으며, 계산 결과와도 잘 맞았다. 그러나 bis-MSB의 경우, 실험 결과는 SDBS 데이터와 일치했지만 가우시안 16 계산에서는 1500 cm-1 이하에서 실험 결과보다 적색 편이된 피크들을 보여 주었다.

다음으로 LAB을 용매로 사용하고 PPO 및 bis-MSB를 용질로 분산된 용액들의 IR 스펙트럼을 분석하였다. 샘플에 대한 요약은 Table 2를 나타내었고, 샘플의 자세한 내용은 3절을 참고한다. 혼합된 용질의 농도가 상대적으로 낮기 때문에 관찰된 IR 스펙트럼은 대부분 LAB의 스펙트럼 (샘플 A)과 유사한 결과를 보여주었다. 그러나 1500 cm-1 이상에서 흡수가 약화되기 시작하여, 3500 cm-1 근방에서 이 차이가 가장 크게 나타났다. 구체적으로, LAB에 PPO가 첨가된 샘플 (LAB+PPO, 샘플 B)과 LAB에 bis-MSB가 첨가된 샘플 (LAB+bis-MSB, 샘플 C)에서는 3500 cm-1 근방에서 약 1% 정도의 흡수 감소가 관찰되었다. 한편, LAB에 PPO와 bis-MSB가 모두 혼합된 샘플 (LAB+PPO+bis-MSB, 샘플 D)에서는 약 2%의 흡수 감소를 보여 주었다. 하지만 흥미롭게도 2900 cm-1에서는 이 흡수가 증가해 약 3%에 이르러, 다른 샘플들과 비교했을 때 가장 큰 차이를 보였다. 이러한 결과는 혼합 용액의 성분 간 상호 작용이 IR 스펙트럼에 미치는 영향을 보여주며, 각 성분의 상대적인 농도와 화학적 성질이 흡수 스펙트럼에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는데 중요한 정보를 제공할 수 있다.

Table 2 A table of solvents and solutes, including their concentrations, for the four synthesized samples in this research.

Sample	Solvent	Fluor 1: PPO	Fluor 2: bis-MSB	Note
A	LAB	0	0	Pure solvent only
B	LAB	3 g/l	0	Solvent + 1st WLS
C	LAB	0	30 mg/l	Solvent + 2nd WLS
D	LAB	3 g/l	30 mg/l	Solvent + 1st + 2nd WLS

이 연구를 통해 얻은 액체섬광검출용액의 IR 스펙트럼과 스펙트럼 분석은 중성미자 검출기의 광학적 특성과 효율을 이해하는 데 매우 중요하다. 이는 UV/VIS 스펙트럼만으로는 파악하기 어려운 불순물을 감지하고 식별할 수 있는 상보적인 방법을 제공할 수 있기 때문이다. 특히 질소, 산소 등이 탄소를 치환한 복잡한 구조의 불순물은 IR 스펙트럼에서 고유 흡수 피크를 보여 쉽게 식별할 수 있는 가능성이 있다.

환경 감시 시스템 구축이 어려운 상황에서 액체섬광검출용액 기반 중성미자 검출 실험을 하는 경우, 실험 운용에 따른 액체섬광검출용액의 열화⁴를 UV/VIS 스펙트럼과 IR 스펙트럼으로 확인이 가능하다. UV/VIS, IR 모듈에 관련된 광학, 반도체 공정 및 집적 기술이 발전 되면서 중성미자 검출 시스템에 대해서 비침습적인 검사를 수행할 가능성이 높아지고 있다.

본 논문의 구조는 다음과 같다. II 절에서는 IR 분광학의 간략한 소개와 다양한 원자들 사이에서 나타나는 진동전이 및 이에 대응되는 고유 흡수 파장들을 소개한다. III 절에서는 이 연구를 위해 만든 실험 샘플들의 제작 및 측정방법을 기술한다. IV 절에서는 이 액체섬광검출용액의 용매와 용질들의 IR 스펙트럼 결과와 분석을 시도하고, V 절에서는 이 물질들로 제작된 합성용액들의 스펙트럼과 이들의 분석을 소개한다. 그리고 연구결과들을 마지막 VI절에 간략히 요약하고 논의한다.

적외선 분광학은 분자의 진동 상태를 측정하여 화학적 성질과 구조를 밝히는 강력한 분석 기법이다. 이 분광학에서 특히 스프링 모델은 분자 내 원자들의 진동을 설명하는 데 사용되는 매우 직관적인 방법이다. 이 모델에서 각 원자는 질량을 가진 입자로, 그리고 원자들을 연결하는 화학 결합은 스프링으로 표현된다. 원자의 질량과 스프링 상수(결합의 강도)는 각각 해당 원자의 실제 질량과 결합의 강도를 나타내며, 이 두 가지 요소가 진동의 주파수를 결정한다. 스프링 상수는 결합의 강도에 비례하며, 결합이 강할수록 더 큰 값을 가진다. 예를 들어, 삼중 결합은 단일 결합보다 강한 스프링 상수를 가진다. 원자의 질량은 진동의 속도에 영향을 미치며, 질량이 큰 원자일수록 진동 속도는 느려진다. 이러한 스프링 모델을 통해, 간단한 진동 운동부터 복잡한 분자 내 모드의 진동까지 다양한 현상을 이해할 수 있다.

예로, 탄소-탄소 결합은 단일 결합의 경우 1200에서 800 cm-1, 이중 결합의 경우 1680에서 1620 cm-1, 삼중 결합의 경우 2260에서 2100 cm-1 범위에서 진동 전이가 나타나며, 이는 유기 화합물의 기본 구조를 형성하는 중요한 요소이다. 탄소-산소 결합은 단일 결합이 1200에서 1000 cm-1 범위에서, 이중 결합인 케톤 및 알데히드의 C=O 결합은 1750에서 1650 cm-1 범위에서 관찰된다. 탄소-질소 결합은 단일 결합이 1250에서 1020 cm-1, 이중 결합이 1680에서 1630 cm-1 범위에서 나타나며, 이는 주로 아민 및 아미드에서 중요한 진동 전이이다. 또한, C-H 결합은 약 3000에서 2850 cm-1에서 발생하며 모든 유기 화합물에서 가장 흔한 결합이다. O-H 결합은 3600에서 3200 cm-1에서 진동 전이가 나타나고, 수소 결합의 존재로 인해 매우 중요하다. N-H 결합은 3500에서 3300 cm-1 범위에서 나타나며, 아미노 그룹과 아미드 결합에서 중요한 요소이다. 질소-산소 결합은 1280에서 1020 cm-1 범위에서 나타나며, 니트로 그룹이나 질산염에서 흔히 볼 수 있다. 마지막으로, 2000–1800 cm-1 영역은 다른 영역에 비해 나타나는 밴드가 적은데, 일반적인 유기 분자의 삼중 결합 및 특정 이중 결합이 이 영역대에 일반적으로 존재하지 않기 때문이다. 이 내용들을 Fig. 1에 정리하였고, 특히 각 결합들의 파수 영역대를 나타내기 위해 색깔을 넣은 밴드로 표기하였다.

Figure 1. (Color online) Comprehensive vibrational transition frequencies for various chemical bonds encountered in experimental analysis. This diagram illustrates the ranges for single, double, and triple bonds of carbon-carbon (C-C), carbon-oxygen (C-O), carbon-nitrogen (C-N) and nitrogen-oxygen (N-O), as well as the typical vibrational transitions for C-H, O-H, and N-H bonds in organic molecules. Colored bands indicate the spectral range of each vibrational frequency, highlighting the important vibrational modes. Notably, the region between 1800–2000 cm-1 exhibits fewer bands, primarily due to the general absence of triple bonds and specific double bond transitions in typical organic molecules, which do not commonly fall within this frequency range.

본 논문에서 논의하는 액체섬광물질은 LAB을 기반으로 하여 PPO와 bis-MSB를 포함하고 있기 때문에, 이들 성분의 방향족 고리와 기타 작용기 (functional group)들이 IR 스펙트럼상에서 고유한 진동 모드로 나타난다. 예로, LAB는 주로 C-H 결합과 방향족 벤젠 고리의 C=C 결합으로 구성되어 있어, C-H 결합은 비교적 빠른 진동을 보이는 반면, C=C 결합은 좀 더 느린 진동을 보인다. PPO에서는 옥사졸 고리가 중요한 역할을 하며, 이 고리의 C-O와 C-N 결합은 특정 진동 모드를 형성한다. 마지막으로 bis-MSB 역시 방향족 고리가 포함되어 있어 C-H 결합의 진동과 함께, 특히 방향족 고리에서의 C=C 결합의 진동이 관찰된다.

이와 같이 모델을 통해 각 물질의 주요 결합과 그에 따른 진동 모드의 특성을 이해할 수 있으며, 이는 IR 스펙트럼을 통해 해당 물질의 화학적 구조를 이해하는 이론적 배경을 제공한다. 결국, LAB, PPO, 그리고 bis-MSB 각 구성성분의 진동 모드를 이해함으로써, 액체섬광물질의 정교한 분자 구조 특성을 깊게 파악할 수 있으며, 이는 중성미자 검출기에서의 섬광 효율과 광학적 특성에 대한 이해를 높이는데 큰 도움을 줄 수 있다.

본 연구에서는 이수화학에서 제공하는 LAB을 용매로 사용하고, 용질로는 Sigma-Aldrich에서 제조된 PPO과 bis-MSB을 선택하여 액체섬광검출용액을 합성하였다. PPO는 3 g/l, bis-MSB는 30 mg/l 혼합되었으며, LAB은 산화 알루미나(Al₂O₃)분말 층에 추가로 정제 않고 공장 상태 그대로 사용하였다. 형광체의 질량을 미세 저울로 측정한 후, 1리터의 LAB에 용해하여 기준 액체섬광검출용액을 제작하였으며, 이 용액들을 바탕으로 기본 샘플들을 준비하였다. 이후 형광 스펙트럼 측정기의 포화 응답을 방지하기 위해 샘플들을 300배 더 희석하여, 약 0.01 g/l의 농도와 200 ㎖ 에 해당하는 최종 샘플들을 준비하였다. 샘플 A는 순수한 LAB만을 포함하고 있으며, 샘플 B(C)는 PPO(bis-MSB)를, 샘플 D는 PPO와 bis-MSB를 함께 포함하도록 제작하였다. 이 샘플들의 용매와 용질, 그리고 주의점을 Table 2에 요약하였다.

샘플의 IR 스펙트럼은 셀렌화 아연 (ZnSe) 단결정 입사창 위 샘플을 올려두고 감쇠 전반사 (attenuated total reflectance, ATR)가 한 번만 된 신호를 수집하는 단일 ATR 모드로 측정되었다. 액상 샘플의 측정 전처리는 요구되지 않으며, 분말 샘플 경우 유발 (motar) 분쇄 전 처리한다. 액상 측정은 ZnSe 단결정 입사창 위 한 방울 점적 (dripping)하고, 분말 측정은 ZnSe 단결정 위에 전처리된 고운 분말을 올려 불소 수지 (polytetrafluoroethylene) 처리된 압착기로 눌러 측정하였다. 액상과 분말 샘플에 대한 측정 모식도는 Fig. 2에 나타내었다.

Figure 2. (Color online) Schematic of measuring liquid and powder samples on an FT-IR spectrometer equipped with an attenuated total reflection module.

1. LAB 적외선 스펙트럼: Sample A

LAB은 대규모 액체섬광 검출기에 매우 적합한 용매로, 그 이유는 LAB의 낮은 인체 독성, 높은 발화점, 그리고 아크릴과의 우수한 상용성 때문이다. 이 연구에서는 이수화학에서 구입한 LAB을 사용하여 실험을 진행하였다. LAB의 이성질체 (isomer) 구성비를 알아보기 위해 RENO 연구단이 수행한 가스 크로마토그라피-질량 분석 (gas chromatography–mass spectrometry; GC–MS) 결과를 바탕으로 구성비를 분석하였고, 결과를 Table 3에 나타내었다⁵. 표에서 첫 번째 열은 각 샘플의 경우를 나타내고, 두번째부터 여덞번째 열은 각 샘플에 포함된 이성질체들의 성분을 나타낸다. 예로, C9-(C15+)는 벤젠고리를 포함해서 6+9개 이하 (6+15 이상)의 탄소를 가지고, 수소 원자는 2×9+6=24 이하 (2×15+6=36 이상)를 가진 이성질체를 의미한다⁶. 두번째 행과 세번째 행에 바로 RENO TDR (Technical Design Report)과 NIM 논문에서 언급한 LAB의 이성질체 구성비를 표기하였다[1, 12]. 결과는 LAB이 주로 C11에서 C13의 이성질체로 구성되었 있으며, 특히 C12의 경우가 가장 많이 차지하고 있음을 보여준다. 참고로, RENO TDR 샘플의 C9-, C14 및 C15+ 이성질체의 성분비는 0인 반면, NIM 샘플은 총 성분비가 100%를 약간 초과한 것으로 나타났다. 성분비의 이러한 차이는 LAB의 평균 분자량 차이를 가져오고, 불확실성에 영향을 줄 수 있다.

Table 3 Isomeric Composition of LAB by Alkyl Chain Length. The first column lists the samples under examination. Subsequent columns two through eight classify isomers according to the number of carbon atoms in the alkyl chain, not including those in the benzene ring. For example, `C9-' represents isomers with nine or fewer carbon atoms, and `C15+' indicates isomers with fifteen or more carbon atoms. The data in the second and third rows correspond to isomeric compositions as detailed in the RENO TDR (Technical Design Report) and in the NIM paper, respectively. These indicate that LAB predominantly consists of isomers in the C11 to C13 range, with C12 isomers being the most frequent.

Sample	C9- [%]	C10 [%]	C11 [%]	C12 [%]	C13 [%]	C14 [%]	C15+ [%]	Sum [%]	Reference
	(≤C15H24)	(C16H26)	(C17H28)	(C18H30)	(C19H32)	(C20H34)	(≥C21H36)
RENO TDR	0	7.17	27.63	34.97	30.23	0	0	100.00	Ref.[12]
NIM	0.3	10.2	32.7	35.6	20.9	0.5	0.04	100.24	Ref.[1]

좀 더 자세히 분자 구조를 보여주기위해, LAB 이성질체 중 가장 많은 양을 차지하고 있는 C12의 경우를 Fig. 3에 표시하였다. 그림 왼쪽 위 (왼쪽 아래)에는 LAB의 가장 기본 성분인 되는 도데실벤젠 (Dodecylbenzen, C₁₈H₃₀)의 구조식 (3차원 구조)를 보여주고, 오른쪽 위 (오른쪽 아래)에는 위치 이성질체 (positional isomer)인 2-페닐 도데케인 (2-Penyl Dodecane)의 구조식(3차원 구조)를 나타내었다. 이 이성질체에서 벤젠고리가 선형 알킬 사슬의 2번째 탄소에 붙어 있음에 주목해야한다. 벤젠고리가 선형 사슬의 다른 탄소에 붙는 많은 종류의 n-페닐 (n-Penyl) 이성질체가 LAB 안에 존재할 수 있다.

Figure 3. Structural representations of Linear Alkylbenzene (LAB) isomers with a focus on the predominant C12 component. The top left (bottom left) of the figure displays the structural formula (3D structure) of Dodecylbenzene, the fundamental component of LAB, denoted as C₁₈H₃₀. The top right (bottom right) illustrates the structural formula (3D structure) of the positional isomer 2-Phenyl Dodecane. Note the variation in the attachment site of the benzene ring along the linear alkyl chain, which significantly influences the chemical properties of the isomer. While many other positional isomers exist in LAB, the basic component with a benzene ring attached to the end of the alkyl chain generally dominates the composition.

우선 LAB에 포함되어 있는 다양한 분자들의 참고자료로서, 일본의 AIST에서 제공하고 있는 SDBS[10]에서 LAB 기본 성분들의 분자들을 찾아 고려하였다. 포함되는 총 탄소의 숫자가 적은 분자부터 차례대로, 옥틸벤젠 [Octyl-benzene, C8(C₁₄H₂₂), SDBS-NO=1243)], 노닐벤젠 [Nonyl-benzene, C9(C₁₅H₂₄), SDBS-NO=1244)], 데실벤젠 [Decyl-benzene, C10(C₁₆H₂₆), SDBS-NO=1245)], 운데실벤젠 [Undecyl-benzene, C11(C₁₇H₂₈), SDBS-NO=1246)], 도데실벤젠 [Dodecyl-benzene, C12(C₁₈H₃₀), SDBS-NO=7900)], 트리데실벤젠 [Tridecyl-benzene, C13(C₁₉H₃₂), SDBS-NO=1247)], 테트라데실벤젠 [Tetradecyl-benzene, C14(C₂₀H₃₄), SDBS-NO=1248)], 펜타데실벤젠 [Pentadecyl-benzene, C15(C₂₁H₃₆), SDBS-NO=13414)], 헥사데실벤젠 [Hexadecyl-benzene, C16(C₂₂H₃₈), SDBS-NO=13443)], 헵타데실벤젠 [Heptadecyl-benzene, C17(C₂₃H₄₀), SDBS-NO=1250)], 옥타데실벤젠 [Octadecyl-benzene, C18(C₂₄H₄₂), SDBS-NO=7678)], 노나데실벤젠 [Nonadecyl-benzene, C19(C₂₅H₄₄), SDBS-NO=7699)], 노나데실벤젠 [Nonadecyl-benzene, C19(C₂₅H₄₄), SDBS-NO=7699)] 등의 IR 스펙트럼 결과들이 조사하였고, 분석을 위해 사용하였다. 이 중 우리가 사용한 LAB에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 C11 (빨간색 원), C12 (파란색 정사각형) 그리고 C13 (주황색 다이아몬드)의 경우들을 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서는 투과도가 대략 86보다 작은, 즉 흡수가 주요하게 발생하는 피크의 위치들만을 나타내었고⁷, 이를 통해 세 물질들의 피크 위치 및 투과도의 변화를 비교하였다. 우선 3000 cm-1 근방에 벤젠 고리의 C-H 스트레칭 모드에 대응하는 강한 흡수 피크가 나타나고, 알킬 사슬의 C-H 스트레칭 모드도 2850–2950 cm-1 범위에서 역시 나타난다. 이 모드는 일반적으로 sp3 하이브리드화 (hybridization)에 대응하고 벤젠고리 스트레칭 모드에 비해 약간 작은 파수를 지닌다. 비슷하게 1600 cm-1 근방에는 벤젠 고리 C-H의 구부러짐 모드와 1500 cm-1 근방에서 알킬 사슬의 구부러짐 모드가 나타나며, 700–800 근방에서는 벤젠 고리 비평면 구부러짐 모드 및 사슬의 더 느린 C-H 구부러짐 모드들이 나타난다. 흥미로운 사실은 세 개의 분자들이 거의 같은 위치에서 피크를 같는다는 사실이다. 이는 피크의 위치가 알킬 사슬의 길이에 크게 민감하지 않음을 반영한다.

Figure 4. (Color online) Infrared spectra of the predominant LAB molecules: C11 (red circles), C12 (blue squares), and C13 (orange diamonds), highlighting peaks with transmittance below 86 for significant absorption features. Key observations include strong absorption peaks for benzene ring C-H stretching near 3000 cm-1 and alkyl chain C-H stretching between 2850–2950 cm-1. Additionally, bending modes for benzene C-H and alkyl chains are visible around 1600 cm-1 and 1500 cm-1, respectively, with lower frequency bending modes appearing between 700–800 cm-1. In particular, note that all molecules have nearly identical peak positions.

사슬의 길이와 IR 스펙트럼 사이의 관계를 좀 더 일반적으로 확인하고자, 더 짧거나, 더 긴 사슬을 가지는 LAB 분자들을 좀 더 조사해 보았다. C8 (옥틸벤젠)부터 C19 (노나데실벤젠)까지 사슬의 길이에 따라 주요 파장들의 피크 위치 및 투과도의 변화를 Fig. 5에 3차원 그래프로 나타내었다. 왼편부터 주파수 2800–3100 cm-1 영역, 가운데 1400–1650 cm-1 영역, 오른쪽에 600–1100 cm-1 영역까지 세 영역에 대하여, 카본 수 C_n에 대응하는 각 분자들에 대한 투과도 T[%]를 볼 수 있다. 예로 Cn=8(19)는 옥틸벤젠(노다데실벤젠) 분자에 대응된다. 결과를 보면 파수의 위치가 분자들의 대하여 거의 변하지 않음을 다시금 확인 할 수 있었다. 한가지 더 흥미로운 점은 투과도 0–100%를 파란색 - 빨간색에 대응되는 온도맵으로 표기하였는데, C_n 값이 커질수록, 즉 알킬 사슬의 길이가 길어질수록, (2900 과 2800 cm-1 근방의 파란색 두 종류 강한 흡수선을 제외하고) 투과도가 커지는(또는 흡수 피크가 작아지는) 경향을 보여주었다. 또한 처음부터 작게 존재했던 흡수 피크들은 대부분은 점점 더 작아져, 아주 작은 피크 흔적만이 남게 됨을 추가로 확인하였다.

Figure 5. (Color online) Variation in peak positions ν¯[cm-1] and transmittance percentages T[%] across molecular chains from Octylbenzene (C8, Cn=8) to Nonadecylbenzene (C19, Cn=19). Transmittance from 0 to 100% is displayed using a blue(0)-red(100) temperature map. The three frequency regions are shown: 2800–3100 cm-1 on the left, 1400–1650 cm-1 in the center, and 600–1100 cm-1 on the right. Notably, peak positions remain nearly constant across different molecules. Interestingly, (except for two strong absorption blue lines around 2900 and 2800 cm-1) we observe a general trend of increasing transmittance (or decreasing intensity of absorption peaks) with increasing Cn (or carbon chain length).

이제 우리 LAB IR 실험결과 (파란색 실선)를 AIST SDBS의 트리데실벤젠의 결과 (보라색 파선)와 함께 Fig. 6에 표시하였다⁸. 그림을 자세히 보면, 두 실험결과는 강도에 차이는 여전히 존재하지만, 흡수 피크의 위치가 거의 모든 곳에서 매우 잘 일치함을 확인 할 수 있다. 이는 이전에 언급한, 피크 파수의 위치가 알킬 사슬의 길이와 무관하다는 사실과 일맥상통한다. 더불어 약해진 강도를 감안하면 우리가 사용한 LAB의 구성 분자들이 짧은 알킬 사슬보다는 긴 길이의 알킬 사슬로 이루어져 있음을 알 수 있다⁹.

Figure 6. (Color online) Experimental infrared results for LAB (solid blue line) along with tridecylbenzene data from AIST SDBS (purple dashed line). Despite the differences in intensity, the absorption peak positions are in very good agreement in almost all regions. Also, considering the further reduced strength, it can be inferred that the constituent molecules of the LAB sample should be composed of long chains, not short alkyl chains.

2. PPO 분말 적외선 스펙트럼

PPO는 섬광체 및 형광 물질로 널리 쓰이는 유기 화합물이다. 이 물질은 고에너지 입자 계측와 섬광 계수 등 다양한 분야에서 활용된다. 방사선에 노출되면 PPO는 더 높은 에너지 상태로 흥분되어 광자를 방출하고 섬광 신호를 생성한다. 이 화합물은 옥사졸 고리 (C₃H₃NO) 양옆에 페닐기 (C₆H₅)를 포함하는 화학 구조를 가지며, 무색의 결정 고체 형태이다. Figure 7의 중앙에는 이 물질의 3차원 구조가 나타나 있다. 산소 원자 (빨간색)와 질소 원자 (파란색)를 포함한 오각형 옥사졸 고리가 보이고, 고리 양쪽에는 육각형의 페닐기도 명확히 확인할 수 있다. 그림에서 빨간색 실선은 SDBS에서 제공하는 PPO의 IR 투과 스펙트럼이고, 검정색은 우리가 사용한 PPO 가루 샘플의 스펙트럼이다. 또한 가우시안16에서 B3LYP DFT 방법으로 계산한 스펙트럼을 녹색의 실선으로 두 개의 실험결과와의 비교를 위해 나타내었다. 세 개의 경우 모두 강도의 차이는 있지만, 피크의 위치가 매우 잘 일치하였다. 대략 3100 cm-1 근방에 벤젠 고리의 C-H 결합의 스트레칭 피크가 보이고, 바로 왼쪽에 약간 더 큰 파수의 옥사졸 고리 C-H 결합의 더 작은 스트레칭 피크가 보인다. 1500 cm-1 근방에는 (C-N 스트레칭 모드를 포함하는) PPO 분자의 구부림 모드들이 존재하고, 특히 700 cm-1 근방에는 더 낮은 파수의 구부림 진동모드들이 보인다. 또한 1100, 1200, 1300 cm-1 근방에서는 세 개의 C-O 스트레칭을 포함한 피크들이 관찰된다.

Figure 7. (Color online) Molecular structure and IR transmittance spectrum of PPO. The center of the figure displays the 3D structure of PPO, featuring a pentagonal oxazole ring (containing a red oxygen atom and a blue nitrogen atom) flanked by hexagonal phenyl groups. The red solid line represents the spectrum of PPO provided by SDBS, and the black line corresponds to the spectrum of our PPO powder sample. Additionally, the green solid line depicts the spectrum calculated using the B3LYP DFT method in Gaussian 16, aimed at comparing with the two experimental results. The stretching peak for the benzene ring's C-H bond appears around 3100 cm-1, with a slightly higher wavenumber nearby, representing the smaller stretching peak of the oxazole ring's C-H bond. Bending modes of the PPO molecule, including the C-N stretching mode, are present around 1500 cm-1, with lower wavenumber bending vibration modes evident around 700 cm-1. Additionally, peaks involving C-O stretching are observed around 1100, 1200, and 1300 cm-1.

3. bis-MSB 분말 적외선 스펙트럼

Bis-MSB는 섬광 계측기에서 사용되는 2차 형광체 또는 파장 이동제로, 연한 노란색 결정 고체 형태를 띤다. 주로 PPO와 같은 1차 형광체와 함께 사용되며, 자외선 범위에서 PPO에 의해 흡수된 에너지를 더 긴 (400 nm–420 nm) 파장의 빛으로 변환해 방출한다. 이러한 과정은 bis-MSB의 높은 양자효율과 큰 스토크스 (Stokes shift) 이동 덕분에 이루어지며, 액체 섬광체, 플라스틱 섬광체, 섬광 섬유 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. Figure 8 중앙에 bis-MSB 물질의 3차원 형태가 나타나 있다. 이 물질은 중앙 벤젠 고리의 1,4 위치에 두 개의 2-메틸스티릴기가 결합되어 구성되어 있다. 각 2-메틸스티릴기는 비닐기 (C=C)에 메틸기 (-CH3)가 붙은 벤젠 고리를 포함하고 있다. 이러한 구조는 분자의 전체 공액 시스템을 증가시켜 에너지 전달 및 빛 발광 과정의 효율을 향상시키고, 전자 전이 상태에서 방출되는 파장을 더 길게 하여 적색편이를 유도한다.

Figure 8. (Color online) Molecular structure and infrared transmittance of bis-MSB. The center of the figure displays the 3D structure of bis-MSB, highlighting its central benzene ring linked at the 1,4 positions to two 2-methylstyryl groups, each containing a benzene ring with a methyl group attached to a vinyl group (C=C). The red (black) solid line represents the infrared transmission spectrum from AIST SDBS sample (our bis-MSB powder sample), while the green line shows the B3LYP DFT calculations performed using Gaussian 16. Despite differences in peak intensity, good alignment in peak positions from two experiments is observed. However, some discrepancies between theoretical calculation and experimental results appear below 1500 cm-1. The overall profiles are very similar, with prominent C-H stretching peaks of the benzene rings around 3000 cm-1, and one major peak around 1500 cm-1 corresponding to the C-H rocking bending modes of the central benzene ring, followed by lower frequency twisting and bending modes below 1000 cm-1 .

Figure 8에 빨간색 실선 (검정색 실선)은 AIST SDBS 샘플 (우리의 bis-MSB 가루 샘플)의 IR 투과 실험 결과를 보여준다¹⁰. 이전과 마찬가지로 녹색선은 가우시안16을 이용한 B3LYP DFT 계산 결과이다. 우선 두 실험결과는 강도의 세기에 차이는 있으나 피크의 위치에 있어서 좋은 일치를 보여주고 있다. 이론 계산 결과는 3000 cm-1 근방에서는 일치를 보였으나, 1500 근방아래에서는 위치가 달라짐을 확인하였다. 하지만 전체적인 개형은 세 가지 경우 모두 매우 비슷함을 볼 수 있다.

우선 3000 cm-1 근방에 3개의 벤젠 고리의 C-H 스트레칭 피크들이 보인다. 가장 큰 순서대로, 이 피크들은 가운데 벤젠고리와 연관된 sp2 C-H 스트레칭 모드, 양 옆에 위치한 메틸기 (-CH3)와 연관된 sp3의 비대칭 (asymmetric)과 대칭 (symmetric)의 스프레칭 모드들이 차례로 확인된다. 1500 cm-1 근방의 큰 피크는 가운데 벤젠고리의 C-H 흔들거리는 구부림 (rocking) 모드를 통해 나타나며, 1000 cm-1 아래의 피크들은 bis-MSB의 더 낮은 파수의 비틀림 (twisting)을 포함한 구부림모드들에 대응된다.

1. LAB + PPO: 샘플 B

LAB에 PPO가 섞인 용액 (LAB+PPO, 샘플 B)의 IR 투과 스펙트럼을 Fig. 9에 파란색 실선으로 나타내었다. 비교를 위해 LAB 만을 포함한 경우를 빨간색 파선 (dashed line)으로 표시하고, 앞에서 논의한 AIST SDBS의 PPO 측정결과를 녹색의 점선 (dotted line)으로 구별되게 표시하였다. 우선 섞인 용액은 전체적으로 LAB만을 포함한 경우와 거의 일치함을 볼 수 있었다. 이는 PPO의 농도가 LAB에 비해 상당히 작아서 LAB IR 스펙트럼이 기본이 되고, PPO의 효과가 이 기본 스펙트럼에 작게 영향을 줄 것으로 예상해 볼 수 있다. (실제로 PPO 주요 스펙트럼 피크의 파수들에서 PPO의 영향이 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.) 좀 더 자세히 살펴보면, 대략 1500 cm-1 근방 이하의 낮은 파수 영역에서는 LAB IR 스펙트럼과 차이가 발생하지 않았지만, 1500 cm-1 이상으로 파수가 증가함에 따라, LAB+PPO 용액의 투과도가 약간씩 증가하기 시작하였다. 이 내용을 담은 그림을 Fig. 9의 왼쪽 밑에 작은 그림으로 만들어 나타내었다. 이 작은 그림에서 x축은 원래 그림과 마찬가지로 파수를 의미히고, y축은 LAB+PPO 용액의 투과도를 LAB 용액만의 투과도로 나눈 값(즉 두 용액의 투과 비율)을 의미한다. 보면, 몇 군데에서 위아래로 매우 빠르게 진동하는 패턴들이 있지만, 저 파수 영역(대략 1500 cm-1 근방 이하)에서는 두 용액의 투과율이 거의 같은 값을 갖다가, 1500 cm-1 이상에서부터 차이가 발생하기 시작하여, 대략 3500 cm-1에 이르러서는 이 증감이 약 1%에 다다른다. 또한 대략 2400 cm-1 근방에 갑자기 3% 가량 갑자기 작아지는 감소도, 원래 같은 위치의 실험 결과로부터 유래했음을 알 수 있고, 이 흡수는 잘알려진 대기중의 CO₂ 분자의 IR 흡수에 대응된다. 그럼으로 종합해보면 최대 1% 정도의 투과도 증가가 혼합용액에서 나타나고, LAB의 주요 흡수 피크 위치 부근에서 대략 1% 보다 약간 커지거나 작아지는 유의미한 차이가 추가로 발생하였음을 알 수 있다.

Figure 9. (Color online) IR transmission spectrum for a solution of LAB mixed with PPO (blue solid line, Sample B), compared to LAB alone (red dashed line, Sample A) and PPO according to AIST SDBS data (green dotted line). The blue and red-dashed spectra show similar transmission below 1500 cm-1, indicating a minimal influence of PPO in this region. Above 1500 cm-1, the transmission for the LAB+PPO solution slightly increases, reaching approximately a 1% difference by 3500 cm-1. Note that sharp peaks at 670 and 1650 cm-1 are experimental artifacts, while a significant drop around 2400 cm-1 corresponds to atmospheric CO2 absorption, illustrating a maximal 1% increase in transmission in the mixture compared to LAB alone, with meaningful variations around the major absorption peaks of LAB.

2. LAB + bis-MSB: 샘플 C

Figure 10에 파란색 실선으로 LAB에 bis-MSB가 섞인 용액 (LAB+bis-MSB, 샘플 C)의 경우를 나타내었다. 앞선 샘플 B의 경우와 유사하게, 비교를 위해 LAB만의 경우를 빨간색 파선으로, AIST SDBS의 bis-MSB의 경우를 녹색 점선으로 나타내었다. 샘플 C의 IR 스펙트럼의 경우도 결과적으로 LAB의 스펙트럼과 거의 일치함을 발견하였다. 이는 샘플 B의 경우와 유사하게 bis-MSB의 농도가 충분히 LAB에 비해 낮기 때문에, 전체적으로 LAB의 스펙트럼 결과를 따르되, bis-MSB의 효과가 작게 영향을 준 것으로 이해 할 수 있다. (샘플 C의 IR 스펙트럼에서 bis-MSB의 주요 피크들이 나타나지 않음을 알 수 있다.) 샘플 C에 영향을 주는 bis-MSB의 효과를 나타내기 위해 앞선 절에서와 마찬가지로, 샘플 C와 LAB 만을 포함한 용액들간의 투과도의 비율을 Fig. 10의 왼쪽 아래에 작은 그림으로 나타내었다. 확인 해 보면, 이전 경우와 비슷하게, 1500 cm-1을 기준으로 낮은 파수 영역 (대략 1500 cm-1 근방 이하)에서 비슷한 투과율을 보이다가 높은 파수 영역 (1500 cm-1 근방 이상)으로 넘어가면서 샘플 C의 투과도가 점점 증가함을 알 수 있다. 그리고 이 증감이 대략 샘플 B의 경우와 비슷하게 최대 1%까지 커짐을 발견하였다. 참고로 중간에 실험에 의한 인위적인 피크들과 CO₂ 분자의 IR 흡수 피크들이 역시 존재한다. 흥미로운 점은 2900 cm-1 근방에서 나타나는 효과가 PPO와 bis-MSB가 다르다. PPO의 경우에는 대략 1.5%까지 추가적인 증감만 보여주는 반면, bis-MSB의 경우에는 비슷한 증감에 추가로 1% 아래로 떨어지는 감소구간도 보여준다는 사실이다. 결론적으로 샘플 C의 경우도, 샘플 B의 경우와 유사하게 최대 1% 가량의 투과도 증가를 보여주고, LAB 주요 흡수 피크 위치들에서 PPO의 영향보다도 약간 큰 변동을 추가적으로 보여준다.

Figure 10. (Color online) IR transmission spectra for a solution of LAB mixed with bis-MSB (blue solid line, Sample C), compared to LAB alone (red dashed line, Sample A) and bis-MSB according to AIST SDBS data (green dotted line). The blue solid spectrum aligns closely with that (red-dashed) of LAB alone below 1500 cm-1. Above 1500 cm-1, Sample C shows a gradual increase in transmission, mirroring the behavior seen in Sample B with up to a 1% increase at higher wavenumbers. Notable are the experimental artifact peaks and the CO2 absorption band, with differences in effects around 3000 cm-1 between PPO and bis-MSB, where bis-MSB shows additional declines not seen with PPO. Overall, Sample C exhibits a similar maximum increase of about 1% in transmission as Sample B, with slightly larger variations around LAB's major absorption peaks compared to the impact of PPO.

3. LAB + PPO + bis-MSB: 샘플 D

실제 중성미자 진동실험에 사용되는 액체섬광물질인, LAB에 PPO와 bis-MSB를 섞어 만든 용액의 IR 스펙트럼을 Fig. 11에 파란색 실선으로 나타내었다. PPO와 bis-MSB의 농도가 LAB에 비해 매우 작기 때문에, 각 물질들의 고유한 흡수 피크가 거의 나타나지 않는다는 점을 고려하여 오직 LAB의 경우만을 빨간색 파선으로 표시하였다. 앞선 하부 절들 (V-1 sample B, V-2 sample C)의 결과를 되돌아 보면, 두 용질들 (PPO와 bis-MSB) 각각은 전체 LAB 스펙트럼의 투과도의 세기를 약간 변화시킬 수 있었다. 따라서 두 용질들이 함께 섞이는 경우에도, 손쉽게 LAB의 투과도의 약간의 증가와 감소를 예상할 수 있고, 실제로 실험 결과도 이 현상을 보여 주었다. 이전 경우들과 마찬가지로, 샘플 D와 LAB 간의 투과도 비율을 나타내기 위하여, Fig. 11의 왼쪽 아래에 이 결과를 담은 작은 그림을 삽입하였다. 우선 결과를 보면, 샘플 D에서도 이전 각 매질의 경우와 비슷한 양상을 보여 주었다. 하지만 흥미롭게도 (저 파수 영역에서 고 파수 영역에 이르는 동안에) 증감이 두 물질의 경우를 산술적으로 더한 경우와 유사했으며, 결국 3500 cm-1 근방에서, (LAB을 기준으로) 최대 2%까지 투과도가 증가하였다. 또한 2900 cm-1 근방에서 샘플 B 와 샘플 C의 경우와 다르게, 2%까지 증가하는 추세선 기준으로 약 5% 가량 감소만 하는 경우를 보여주었다. 아마도 이는 LAB안에서 PPO와 bis-MSB의 복잡한 상호작용의 결과로 여겨진다.

Figure 11. (Color online) IR transmission spectrum for a mixture of LAB, PPO, and bis-MSB, depicted as a blue solid line. The spectrum primarily reflects the characteristics of LAB due to the low concentrations of PPO and bis-MSB, with negligible visible peaks from these additives. Variations in transmittance are noted, especially a maximum increase up to 2% around 3500 cm-1. An unusual decrease of about 5% relative to an increasing trend around 2900 cm-1 suggests complex interactions between PPO and bis-MSB within the LAB matrix. Further details are provided in a subfigure located at the bottom left of Fig. 11.

최근 중성미자 실험에서 널리 사용되는 LAB 기반 액체섬광검출용액에 관한 IR 스펙트럼을 자세히 분석하였다. 특히 이전 논문[8]에서는 이 용액을 구성하는 물질들의 전자구조 및 전자전이가 집중적으로 분석된 반면, 본 논문에서는 이 물질들의 진동 전이에 초점을 맞추어 실험을 진행하였고 결과를 분석하였다.

분자들의 진동 상태에 대한 정밀 분석은 분자들의 구조를 이해하고, 이들을 바탕으로 화학적 성질을 유추할 수 있는 시발점이다. 우리가 사용한 LAB, PPO, bis-MSB는 모두 벤젠 고리를 기본 요소로 포함하고 있으며, IR 영역에서 고유한 진동 모드를 지니고 있다. 추가로 이 벤젠고리에 붙어 있는 선형 알킬 사슬이나 주요 작용기 (functional group)들 역시 특정 흡수 피크들을 포함하고 있다. 바로 이러한 흡수 피크들의 위치와 강도가, 물질을 식별하는 데 사용되는 `지문'처럼 이용될 수 있다. 그리고 한걸음 더 나아가 이 물질들이 어떤 환경에서 어떻게 반응하는지를 추정하는데도 도움이 된다.

액체섬광검출용액의 용매인 LAB은 선형 알킬 사슬끝에 벤젠고리가 붙은 기본형에, 이들의 다양한 위치 이성질체 및 미소의 불순물을 포함하고 있다. 우리는 우선 LAB 기본형들의 IR 스펙트럼들을 AIST SDBS에서 조사하여 정리하였다. 흥미롭게도 IR 주요 흡수 피크들의 위치가 기본형들의 알킬 사슬의 길이에 크게 민감하지 않은 반면, 강도는 사슬의 길이가 길어질수록 흡수가 작아짐을 보여주었다. 보고된 LAB 질량 스펙트럼에서 가장 많은 성분비를 차지하는 C10, C11, C12 중 가장 긴 사슬길이를 갖는 C12를 기준으로, 트리데실벤젠을 기준 분자고 선택하여 비교 연구하였다. 그리고 이 IR 스펙트럼 데이터를 우리 실험 결과 (샘플 A)와 비교해 보았다. 결과는 강도의 차이는 존재했지만, 피크들의 위치가 거의 완벽히 일치하였다. PPO 및 bis-MSB의 경우에는 용액이 아니라 가루형태로 IR 스펙트럼을 측정하였고, 이 결과를 AIST SDBS의 PPO 데이터 (SDBS-NO.:15364), bis-MSB 데이터 (SDBS-NO.:50534) 그리고 이들의 가우시안16 계산결과들과 비교 분석하였다. PPO 가루 실험결과는 SDBS 데이터와 강도의 차이는 있지만, 흡수 피크들의 위치가 잘 일치하였고, 계산결과도 파수 전체 영역에서 잘 일치하였다. 반면, bis-MSB 가루 실험결과는 SBDS 데이터와 잘 일치했지만, 가우시안 16의 계산결과에서는 1500 cm-1 이하에서 (실험결과기준에서) 적색편이된 피크들을 보여주었다.

이후 LAB을 용매로 하여 PPO 및 bis-MSB 용질이 혼합된 용액들의 IR 스펙트럼을 분석하고 결과를 논의하였다. 기본적으로 혼합된 용질의 농도가 용매에 비해 훨씬 작기 때문에, 관측된 IR 스펙트럼은 LAB의 경우 (샘플 A)와 매우 유사하였다. 다만 녹여진 용매들의 효과가 1500 cm-1 이상에서 (샘플 A를 기준으로) 흡수를 약화(또는 투과를 강화)시키기 시작해서, 3500 cm-1 근방에서는 이 차이가 최대가 되었다. LAB에 PPO가 녹여진 샘플 (LAB+PPO, 샘플 B)과 LAB에 bis-MSB가 녹여진 샘플 (LAB+bis-MSB, 샘플 C)에서 이 차이는 3500 cm-1 근방에서 LAB (샘플 A) 기준으로 대략 1% 정도인 반면, LAB에 두 용질이 다 섞인 경우 (LAB+PPO+bis-MSB, 샘플 D)에는 대략 2%에 이르렀다. 특히 가장 주요한 흡수 피크 위치인 2900 cm-1 근방에서 (샘플 B 및 C 와 다르게) 샘플 D의 경우, LAB 기준에서 대략 3% 정도까지 흡수(투과)가 강화(약화) 되었다.

마지막으로, 본 연구를 통해 얻은 액체섬광검출물질 및 용액들의 IR 스펙트럼과 스펙트럼 분석은 이 용액을 사용하는 중성미자 검출기의 광학적 특성과 효율을 규명하는데 도움을 줄 수 있다. 예로, 용액내에 존재하는 불순물의 존재는 주요한 투과도에 영향을 미칠 수 있고, PMT의 흡수 파장 영역에서 성능 저하를 일으킬 수 있다. 따라서 이 논문에서 논의하지는 않았지만, IR 스펙트럼은 UV/VIS 스펙트럼만으로는 파악하기 어려운 불순물을 감지하는 상보적 방법을 제공할 수 있다. 특히 질소, 산소 및 다른 원자들이 탄소 원자를 치환하거나, 더 복잡한 구조를 포함하는 불순물들의 경우, 그들 고유의 흡수 피크 및 강도가 스펙트럼 상에 나타나기 때문에, 비교를 통해 손쉽게 이들을 식별해 낼 수 있는 장점이 있다.

이 논문은 2018, 2021년도 정부 (교육부)와 2022년도 정부 (과학기술정보통신부) 의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 (2018R1D1A1B07051126), 중견연구사업 (2022R1A2C1006069), 중점연구소지원사업 (2021R1A6A1A03043957), 선도연구센터 (2022R1A5A1030700) 및 전남대학교 연구자역량고도화 사업 지원을 받아 수행된 연구입니다.

1 LAB 유도체들은 화학적 이성질체가 다양하게 존재하여 반 중성미자 반응 목표물인 양성자 비율을 정확히 추정하는 것이 어렵다.

2 가우시안16은 최적화된 분자 구조 및 밀도 범함수 이론 (Density functional theory, DFT)을 통한 정밀 계산이 가능하며, 준경험적 방법을 통한 큰 규모의 분자들도 다룰 수 있다. 준경험적 방법은 제1원리 계산 접근이 힘든 경우에 좋은 계산 효율성을 제공하는 장점이 있다.

3 이 논문에서는 투과 (transmittance)에 관한 스펙트럼을 주로 다루고, 이에 대한 실험결과를 소개한다. 투과 입장에서는 움푹 들어간 저점, 또는 “딥" (dip)이 정확한 표현이나, 반대로 흡수 입장에서 이 저점은 정점이 되고 “피크" (peak)에 대응된다. 이 논문전반에서 사용되는 “피크"라는 용어는 흡수입장에서 기술된것으로 가정한다.

4 예를 들면, 중성자 포획 단면적이 높은 금속 원소 혹은 광전 흡수 단면적인 높은 무기 결정 또는 나노 결정 (또는 양자점)을 액체섬광검출용액에 리간드 처리하는 배위화학 공정을 수행한 경우, 최종적으로 유기 금속 착물화된 액체섬광검출용액들은 산소, 황, 질소 존재로 인하여 유기 금속과의 리간드 결합이 쉽게 깨질 가능성이 있다.

5 RENO 기술 설계 보고서(TDR)에 언급한 샘플 제작 방법을 따라, 동일한 물질들을 사용하여 이 연구에서 사용한 샘플들을 제작하였다.

6 이수화학[11]에서 제공하는 특징표 (Property Table)에 의하면, 오직 2-페닐 이성질체 (2-Phenyl Isomers)의 비율만 언급되어 있고, 이 값이 대략 14–20의 중량 퍼센트(wt %)에 해당함을 알 수 있다.따라서 3-페닐 이상의 이성질체의 비율은 매우 낮을 것으로 예상하였다.

7 AIST SDBS에서는 IR 투과 실험 결과에 대한 실제 데이터를 제공하지 않는다. 다만 투과도가 86보다 작은 주요 피크 위치에 대한 투과도의 표를 제공한다.

8 다양한 분자들이 섞여서 만들어지는 LAB을 하나의 분자로 정확하게 묘사할 수 없음은 분명하다 하지만, 적어도 주요 흡수 피크들이 구성되는 분자들의 알킬 사슬 길이에 크게 민감하지 않고, 사용한 LAB이 C11, C12 그리고 C13으로 구성됨을 중요하게 고려하였다. 추가로 우리 IR 스펙트럼 흡수 강도가 낮음을 고려하여, 이 세 가지 중 가장 알킬 사슬의 길이가 긴 C13(트리데실벤젠)이 선택되었다.

9 정확한 LAB 구성 성분비의 논의를 위해서 질량성분비에 대한 실험과 분석이 추가로 요구된다. 이 주제는 현 논문의 주제를 넘어섬으로, 차후 논문에서 다루고자 한다.

10 AIST SDBS에서 2-메틸스티릴기를 가지는 bis-MSB의 IR 스펙트럼 데이터가 존재하지 않기 때문에, 대신 제공되는 4-메틸 스티릴기를 갖는 1,4-bis(4-methylstyryl)benzene의 데이터가 사용되었다. 또한 검정 실선이 고주파수 영역으로 갈수록 투과율 100 넘어가는 이유는 다음과 같다. 샘플 IR 데이터들은 대기 IR 스펙트럼 (atmosphere baseline)을 고려하여 산출된다. 대기 중 이산화 탄소가 (체적기준) 백만분의 10 수준, 상대 습도가 1% 이상 변화되면, 바로 측정 전에 기준선 데이터를 교정해야 한다. IR 측정 결과는 기준선 데이터에 영향을 받기 때문에, 대기 평형상태에서 측정하고, 평형상태로 가는 완화 시간은 20분 정도이다.