2024 수능특강 독서 (4)

퓨가시티의 개념과 퓨가시티와 기체상의 압력과의 관계

이 글은 기체와 액체의 상평형을 설명하기 위한 개념인 퓨가시티를 소개하고 있다. 퓨가시티란 용어 가 도입되기 전에는 이탈 성향이라는 용어가 사용되었는데, 분자 간 상호 작용이 없는 이상 기체의 경 우 증기압은 이탈 성향과 같다. 그러나 실제 기체인 경우 분자 상호 작용을 무시할 수 없으므로 인력 및 반발력은 기체의 종류와 온도, 압력에 따라 달라진다. 따라서 이상 기체의 경우 증기압을 이탈 성 향으로 볼 수 있지만，실제 기체는 증기압을 이탈 성향으로 볼 수 없다. 이때 이탈 성향을 퓨가시티라 고 명명하고 퓨가시티를 기체상의 압력과 퓨가 시티 계수의 곱으로 표현하였다. 퓨가시티 계수는 기체 의 인력 및 반발력 중 어느 것이 우세한지에 따라 달라지는데 이상 기체의 경우 1의 값을 갖는다. 실 제 기체의 경우 반발력이 우세한 경우에는 보다 큰 값을 가지고 인력이 우세한 경우에는 1보다 작은 값을 갖는다.

퓨가시티(fugacity)는 열역학에서 기체와 액체라 는두가지상의상평형을설명하는데필요한개 념으로, 미국의 화학자이자 물리학자인 루이스가 20세기 초에 도입하였다. 그는 퓨가시티라는 용어 를 사용하기 전에 ‘이탈 성향(escaping tendency)’ 이란 용어를 사용하였다. 그는 이탈 성향의 개념을 에너지의 흐름인 열과 온도의 관계를 통해 다음과 같이설명했다.두개의다른물체가서로접해있 는경우두물체사이에열의이동이없다면열을 이동시키는 그 무엇인가의 세기나 크기가 서로 동 일하다고생각할수있다.반면한물체에서다른 물체로 열이 이동한다면 두 물체가 열을 이동시키 는 그 무엇인가의 세기나 크기가 다르다고 생각할 수있다.여기서그무엇에해당하는것이온도이 다.온도가높은물체는에너지의이탈성향이크 지만, 온도가 낮은 물체는 에너지의 이탈 성향이 작다고할수있다.따라서물체의온도는그물체 가 보유한 에너지의 이탈 성향을 나타낸다고 할 수 있다.
그는이와같이두물체사이에서일어나는열 에너지의 흐름과 유사하게 인접한 두 상 사이에서 물질의 이동이 일어날 때도 이탈 성향이라는 개념 을적용할수있다고보았다.가령물이끓는현상 은 물 분자가 액체상에서 기체상으로 이탈함을 의 미하여이때물분자는이탈성향이큰액체상에
서 이탈 성향이 작은 기체상으로 이동하게 된다. 만일여기서순수한물에소량의소금이녹아있 다고 한다면, 수용액의 끓는점은 상승하게 되는데 끓는점이 상승한다는 것은 끓는점 아래의 같은 온 도에서 물의 증기압이 감소함을 뜻한다. 즉 소금물 의 경우에는 물 분자가 액체상에서 기체상으로 이 탈하고자 하는 성향이 감소하는 것이다. 따라서 액 체의이탈성향은그액체성분의증기압과유사 한 개념이지만 이탈 성향이 증기압과 항상 동일하 다고는할수없다.열역학에서는기체분자의거 동을 단순하게 기술하기 위해서 이상 기체의 개념 을사용하는데이상기체는분자간상호작용이 없는 기체를 일컫는다. 실제 기체라 하더라도 압력 이매우낮아서기체분자사이의거리가매우큰 경우에는분자간상호작용을무시할수있으며 이때는실제기체를이상기체라간주할수있다. 이상 기체의 경우 순수한 성분이 액체상에서 이탈 하여 기체상이 되어, 각각의 성분이 기체상과 액 체상의평형을이루고있을때각성분의증기의 압력인 증기압은 그 성분이 액체상으로부터 이탈 하려는 정도와 동일하다고 본다.
그러나 기체가 실제 기체인 경우 양상은 달라진 다.실제기체에서는분자상호작용에의한인력 및반발력을무시할수없다.인력과반발력중어 느 것이 더 우세하게 작용하는가는 기체의 종류와 온도, 압력에 따라서 달라지는데 인력이 우세한 기 체의 경우에는 이상 기체로 생각해서 예측했던 것 보다 압력이 작다. 반면 반발력이 우세한 기체의 경우에는 이와 반대로 압력이 더 크다. 하지만 순 수한 물질의 경우 이상 기체 이건 실제 기체이건 상관없이 이탈 성향은 동일하다. 즉 온도만 같으면 액체상에 있는 분자가 기화하려고 하는 성향은 같 다. 따라서 이상 기체로 간주할 수 있는 기체상일 때에는 증기압을 이탈 성향으로 볼 수 있지만, 실 제 기체일 때는 증기압으로 이탈 성향을 나타내지 는 못한다. 루이스는 이러한 문제점을 해결하기 위 해 이탈 성향을 퓨가시티라 명명하였고, 퓨가시티 를 퓨가시티 계수(γ)와 기체상의 압력(P)의 곱으 로 나타내었다. 따라서 퓨가시티는 압력의 단위를 가지며, 이러한 이유로 퓨가시티를 보정된 압력이 라고도 부른다.
퓨가시티 계수는 기체의 반발력 및 인력 중 어 느 것이 우세한지에 따라 값이 달라지는데, 퓨가시 티 계수는 단위가 없는 수이며 압축 인자의 함수 이다. 압축 인자란 같은 온도와 압력에서 어떤 기 체의 부피를 이상 기체의 부피로 나눈 값이어서 반발력이 우세한 경우에는 1보다 큰 값을 가지며 인력이 우세한 경우에는 1보 다 작은 값을 갖는 다. 기체 분자 사이의 상호 작용이 무시될 정도여 서 실제 기체를 이상 기체로 간주할 수 있는 경우 에 퓨가시티 계수는 1에 근사한 값을 갖는다. 이 상 기체의 경우 기체 분자 간의 상호 작용이 없기 때문에 퓨가시티 계수는 1이 된다.

퓨가시티
퓨가시티(fugacity)는 열역학에서 기체와 액 체라는 두 가지 상의 상평형을 설명하는 데 필요한 개념으로, 미국의 화학자이자 물리학자 인 루이스가 20세기 초에 도입하였다. 그는 퓨 가시티라는 용어를 사용하기 전에 ‘이탈 성향 (escaping tendency)’이란 용어를 사용하였다. 그는 이탈 성향의 개념을 에너지의 흐름인 열 과 온도의 관계를 통해 다음과 같이 설명했다. 두 개의 다른 물체가 서로 접해 있는 경우 두 물체 사이에 열의 이동이 없다면 열을 이동시 키는 그 무엇인가의 세기나 크기가 서로 동일 하다고 생각할 수 있다. 반면 한 물체에서 다 른 물체로 열이 이동한다면 두 물체가 열을 이동시키는 그 무엇인가의 세기나 크기가 다르 다고 생각할 수 있다. 여기서 그 무엇에 해당 하는 것이 온도이다. 온도가 높은 물체는 에너 지의 이탈 성향이 크지만, 온도가 낮은 물체는 에너지의 이탈 성향이 작다고 할 수 있다. 따 라서 물체의 온도는 그 물체가 보유한 에너지 의 이탈 성향을 나타낸다고 할 수 있다.
퓨가시티
기체와 액체가 공존하는 경우, 물질 그 자체가 외부로 탈출하려고 하는 성향의 크기

이상 기체 상태 방정식과 그 문제
기체의 온도를 일정하게 하고 부피를 줄이 면 압력은 높아진다. 한편 압력을 일정하게 유 지할 때 온도를 높이면 부피는 증가한다. 이와 같이 기체의 상태에 영향을 미치는 압력(P), 온도(T), 부피(V)의 상관관계를 1몰의 기체에 대해 표현하면 PV=nRT(R: 기체 상수)가 되 는데, 이를 이상 기체 상태 방정식이라 한다. 여기서 이상 기체란 분자 자체의 부피와 분자 간 상호 작용이 없다고 가정한 기체이다. 이 식은 기체에서 세 변수 사이에 발생하는 상관 관계를 간명하게 설명할 수 있다. 하지만 실제 기체에 이상 기체 상태 방정식을 적용하면 잘 맞지 않는다. 실제 기체에는 분자 자체의 부피 와 분자 간의 상호 작용이 존재하기 때문이다. 분자 간의 상호 작용은 인력과 반발력에 의해 발생하는데, 일반적인 기체 상태에서 분자 간 상호 작용은 대부분 분자 간 인력에 의해 일 어난다. 온도를 높이면 기체 분자의 운동 에너 지가 증가하여 인력의 영향은 줄어든다. 또한 인력은 분자 사이의 거리가 멀어지면 감소하는 데, 어느 정도 이상 멀어지면 그 힘은 무시할 수 있을 정도로 약해진다. 하지만 분자들이 거 의 맞닿을 정도가 되면 반발력이 급격하게 증 가하여 반발력이 인력을 압도하게 된다. 이러 한 반발력 때문에 실제 기체의 부피는 압력을 아무리 높이더라도 이상 기체에서 기대했던 것 만큼 줄지 않는다.

전계 방출 현상의 원리와 발생 조건

금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방출하는 방법에는 크게 열전자 방출과 전계 방출이 있다. 전계 방출은 외부 전위를 가하여 표면에 있는 전자가 일함수보다 낮은 에너지 상태에서도 터널 링 현상으로 전자가 방출되는 현상이다. 금속의 경우 전계 방출이 쉽게 일어나게 하기 위해서는 뾰족 하면서도 긴 팁의 형태로 음극을 제작해야 한다. 이러한 형 태의 팁은 팁 부분에 유효 전압이 커지게 되어 낮은 전압을 걸더라도 쉽게 전자가 방출된다. 많은 수의 팁으로 이루어진 전계 방출의 경우 팁 간의 거리가 가까우면 팁 사이에 전장 침투 효과가 감소하게 되어 최대한의 전장 증대 효과가 이루어 지지 않는다. 따라서 전장 증대 효과가 최대로 유지되는 적절한 거리를 두어야 한다. 재료의 일함수 또한 전계 방출에 큰 영향을 미치는데 전계 방출이 쉽게 일어나기 위해서는 재료가 낮은 일함수를 가 져야 한다.

금속이나 반도체 표면에서 전자를 방출하여 이 를 이용하는 기술은 디스플레이, 센서, 의료 분야 등 다양한 분야의 핵심 소자에서 필요한 기술이다. 금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방 출하는 방법은 크게 열전자 방출과 전계 방출로 나눌수있다.열전자방출은금속에전압을걸어 전류가흔한때금속물질의저항에의해금속이 가열되는 줄(Joule) 가열 현상을 이용하는데 가열 된금속내의전자가열적으로에너지를받아금 액 표면의 전원 장벽을 넘어 방출되는 현상이다. 금속에 구속되어 있는 전자가 에너지를 받아 전위 장벽을 넘어야 금속의 구속에서 벗어날 수 있으며 이때 전위 장벽의 크기에 해당하는 에너지를 일함 수라 한다. 따라서 일함수는 전자가 방출되는 데 필요한 최소 에너지이다. 물질의 종류에 따라 일함 수는 고유한 값이며 일함수가 작을수록 물질로부 터 열전자 방출이 쉽다.
한편전계방출은외부전위를가하여표면에 있는 전자가 터널링 현상으로 고체 밖으로 방출되 는 현상이다. 터널링이란 전위 장벽보다 낮은 에너 지 상태에서도 전자가 원자 밖으로 튀어 나가는 현상을 말한다. 전계 방출 전자는 상온에서 온도를 유지한 채 가열 과정 없이도 전자가 방출되므로 전자가 갖는 에너지가 증가하지 않아 냉전자라고 불린다. 열전자는 전자들마다 각기 이동 속도가 달
라 에너지 분포가 균일하지 않고 임의의 방향으로 방출되며, 또한 시간에 따라 나오는 양의 균일도가 떨어진다는단점이있다.이와달리전계방출전 자는 에너지 분포가 균일하며 방출 방향이 집중되 는등의큰장점들을가지고있다.
전계 방출을
<그림 1>을 통해
이해해 보자. 고체
표면에 강한 전기
장이 주어지면 표
면의 전위 장벽이
점선 화살표와 같
이 휘어지고 물질에 구속되어 있던 전자들이 에너 지 장벽을 뚫고 진공으로 방출된다. 전기장의 세기 가 증가함에 따라 전위 장벽의 휘어지는 정도가 커져 표면의 에너지 장벽의 두께가 더욱 얇아지게 되므로전계방출효과는더욱커진다.전자가방 출되는쪽이음극인데걸어준전압을양극과음 극의 거리로 나눈 값을 전기장이라 한다.
일반적으로 전계 방출 현상은 전기장의 세기가
V/cm 이상에서 일어난다. 그러나 전기장의
세기가 V/cm보다 상당히 큰 경우 평평한 금속 전극 사이에서는 기체가 이온화되어 불꽃이 튀는 방전 현상 이 일어나게 되고 스파크가 생성되어 안정적인 전계 방출이 불가능하다. 따라서 금 속의경우전계방출을쉽게일어나게하기위해 서는 뾰족하면서도 긴 팁의 형태로 음극을 제작해 야 한다. 같은 무게의 물체가 평판 위에 올려졌을 때보다 뾰족하고 긴 팁으로 이루어진 부분에 올려 놓으면 팁 끝에 더 큰 압력이 미치는 것과 마찬가 지로, 뾰족하고 긴 팁의 형태로 음극을 제작하면 실제로 걸어 준 전압에 비해서 팁 부분에 유효 전 압이 커지게 되어 걸어 준 전압이 낮더라도 쉽게 전자가 방출된다. 길쭉한 원통 모양의 물체에서 높 이를 직경으로 나눈 값을 종횡비라 하는데 종횡비 가 큰 팁이 전계 방출이 크다. 이러한 효과를 전장 증대 효과(field enhancement effect)라 하며 평평 한 판 대비 전장 증대 효과를 나타낸 것을 전장 증대 인자라 한다. 이때
많은 수의 팁으로 이루어
진 경우 팁 간의 거리도
중요하다. 팀 간 거리가
가까워질수록 <그림 2>
에서 볼 수 있듯이 전기
장이 충분히 침투하지 못
해 전기장의 철을 효과가
감소하게 된다. 전기장이
팁 사이로 충분히 침투하
여야 각각의 팁에 최대한
의 전장 증대 효과가 이
루어지기 때문이며 이때 팁 높이의 두 배 이상의 거리를 확보해야만 최대의 효과를 얻을 수 있다. 하지만 팁 높이 길이의 두 배보다 팁 간 거리가 더 멀어지게 되면 전장 증대 효과가 최대로 유지 는 되지만 단위 면적당 의 팁의 개수가 줄어 전자 방출이 점점 적어지게 된다. 전자가 방출되어 다른 쪽 전극으로 흐르는 것이 전류이므로 방출 전류의 양 또한 점점 작아지게 된다. 재료의 일함수 역시 전계 방출에 큰 영향을 미치는데 전계 방출이 쉽 게 일어나기 위해서는 낮은 일함수를 가지는 재료 를 사용해야 한다. 따라서 전계 방출을 쉽게 유도 하기 위해 반도체나 금속 표면에 세슘, 바륨과 가 운 일함수가 낮은 다른 물질을 팁의 뾰족한 부분 에 코팅하여 뾰족한 팁의 이하는 유지한 채 코팅 한 물질로부터 전계 방출이 되도록 하기도 한다. 전계 방충 소자의 성능을 비교하는 수치로는
의 면적에서 10μA의 전계 방출 전류를 얻기
위해 요구되는 전기장의 크기인 켜짐 전기장 (turn-on field)이 있으며, 켜짐 전기장보다 큰 전기장에서의 방출된 전류의 값을 단위 면 적당의 값으로 제시한다. 더불어 전장 증대 인자도 중요한 성능 지표로 제시된다.

전자 방출
금속이나 반도체 표면에서 전자를 방출하 여 이를 이용하는 기술은 디스플레이, 센서, 의료 분야 등 다양한 분야의 핵심 소자에서 필요한 기술이다. 금속과 반도체의 표면에서 진공 속으로 전자를 방출하는 방법은 크게 열전자 방출과 전계 방출로 나눌 수 있다. 열전자 방출은 금속에 전압을 걸어 전류가 흔한 때 금속 물질의 저항에 의해 금속이 가 열되는 줄(Joule) 가열 현상을 이용하는데 가열된 금속 내의 전자가 열적으로 에너지를 받아 금액 표면의 전원 장벽을 넘어 방출되 는 현상이다. 금속에 구속되어 있는 전자가 에너지를 받아 전위 장벽을 넘어야 금속의 구속에서 벗어날 수 있으며 이때 전위 장벽 의 크기에 해당하는 에너지를 일함수라 한 다. 따라서 일함수는 전자가 방출되는 데 필 요한 최소 에너지이다. 물질의 종류에 따라 일함수는 고유한 값이며 일함수가 작을수록 물질로부터 열전자 방출이 쉽다.
열전자 방출: 고온의 상황에서 전자가 방출 되는 것
전계 방출: 외부 전압을 통해 전자가 방출되 는것


터널링 현상
터널링이란 전위 장벽보다 낮은 에너지 상 태에서도 전자가 원자 밖으로 튀어 나가는 현 상을 말한다. 전계 방출 전자는 상온에서 온도 를 유지한 채 가열 과정 없이도 전자가 방출 되므로 전자가 갖는 에너지가 증가하지 않아 냉전자라고 불린다. 열전자는 전자들마다 각기 이동 속도가 달라 에너지 분포가 균일하지 않 고 임의의 방향으로 방출되며, 또한 시간에 따 라 나오는 양의 균일도가 떨어진다는 단점이 있다. 이와 달리 전계 방출 전자는 에너지 분 포가 균일하며 방출 방향이 집중되는 등의 큰 장점들을 가지고 있다.
터널링 효과
전위 장벽보다 낮은 에너지 상태에서 전자가 원자 밖으로 튀어나가는 현상

주사 터널링 현미경
주사 터널링 현미경(STM)에서는 끝이 첨예 한 금속 탐침과 도체 또는 반도체 시료 표면 간에 적당한 전압을 걸어 주고 둘 간의 거리 를 좁히게 된다. 탐침과 시료의 거리가 매우 가까 우면 양자 역학적 터널링 효과에 의해 둘이 접촉하지 않아도 전류가 흐른다. 이때 탐 침과 시료 표면 간의 거리가 원자 단위 크기 에서 변하더라도 전류의 크기는 민감하게 달라 진다. 이점을 이용하면 시료 표면의 높낮이를 원자 단위에서 측정할 수 있다. 하지만 전류가 흐를 수 없는 시료의 표면 상태는 STM을 이 용하여 관찰할 수 없다. 이렇게 민감한 STM 도 진공 기술의 뒷받침이 있었기에 널리 사용 될 수 있었다.

진공관의 개념
1883년 백열전구를 개발하고 있던 에디슨은 우연히 진공에서 전류가 흐르는 현상을 발견했 다. 이것은 플레밍이 2극 진공관을 발명하는 토대가 되었다. 2극 진공관은 진공 상태의 유 리관과 그 속에 들어 있는 필라멘트와 금속판 으로 이루어져 있다. 진공관 내부의 필라멘트 는 고온으로 가열되면 표면에서 전자(-)가 방 출된다. 이때 금속판에 (+)전압을 걸어 주면 전류가 흐르고, 반대로 금속판에 (-)전압을 걸어 주면 전류가 흐르지 않게 된다. 이렇게 전류를 한 방향으로만 흐르게 하는 작용을 정 류라 한다. 이후 개발된 3극 진공관은 2극 진 공관의 필라멘트와 금속판 사이에 ‘그리드’라 는 전극을 추가한 것으로, 그리드의 전압을 약 간만 변화시켜도 필라멘트와 금속판 사이의 전 류를 큰 폭으로 변화시킬 수 있었다. 이것이 3 극 진공관의 증폭 기능이다

양자 역학
고전 역학에 따르면, 물체의 크기에 관계없 이 초기 운동 상태를 정확히 알 수 있다면 일 정한 시간 후의 물체의 상태는 정확히 측정될 수 있으며, 배타적인 두 개의 상태가 공존할 수 없다. 하지만 20세기에 등장한 양자 역학에 의해 미시 세계에 서는 상호 배타적인 상태들 이 공존할 수 있음이 알려졌다. 미시 세계에서 의 상호 배타적인 상태의 공존을 이해하기 위 해, 거시 세계에서 회전하고 있는 반지름 5cm 의 팽이를 생각해 보자. 그 팽이는 시계 방향 또는 반시계 방향 중 한쪽으로 회전하고 있을 것이다. 팽이의 회전 방향은 관찰하기 이전에 이미 정해져 있으며, 다만 관찰을 통해 알게 되는 것뿐이다. 이와 달리 미시 세계에서 전자 만큼 작은 팽이 하나가 회전하고 있다고 상상 해 보자. 이 팽이의 회전 방향은 시계 방향과 반시계 방향의 두 상태가 공존하고 있다. 하나 의 팽이에 공존하고 있는 두 상태는 관찰을 통해서 한 가지 회전 방향으로 결정된다. 두 개의 방향 중 어떤 쪽이 결정될지는 관찰하기 이전에는 알 수 없다. 거시 세계와 달리 양자 역학이 지배하는 미시 세계에서는, 우리가 관 찰하기 이전에는 상호 배타적인 상태가 공존하 는 것이다. 배타적인 상태의 공존과 관찰 자체 가 물체의 상태를 결정한다는 개념을 받아들이 기 힘들었기 때문에, 아인슈타인은 “당신이 달 을 보기 전에는 달이 존재하지 않는 것인가?” 라는 말로 양자 역학의 해석에 회의적인 태도 를 취하였다.

기체 크로마토그래피의 분석 과정

크로마토그래피란 혼합물 분석 방법이다. 크로마토그래피에서 각 성분이 분리되는 원리는 개개의 성 분이 정지상에 머 무는 정도의 차이를 이용한다. 혼합물이 이동상에서 정지상을 통과할 때 정지상에 오래 머무는 화학종이 느리게 나온다. 기체 크로마토그래피의 경우, 분리관에서 정지상은 휘발성이 낮 고 열적으로 안정하고 화학적으로 비활성이어야 한다. 이동상 기체는 분석물과 상호 작용 없이 분석물 을 이동시키는 역할을 한다. 분리관을 지나는 시료의 성분들은 분배 계수가 클수록 시료 성분의 이동 속도가 줄어들고 머무름 시간이 증가한다. 대표적인 검출기는 FD와 TCD가 있는데，FID는 기체의 전 기 전도도가 기체 중의 전하를 띤 입자의 농도에 비례한다는 원리를 이용한 것이고, TCD는 기체가 검출기를 통과할 때 열전도도와 운반 기체인 헬륨과 각 성분이 섞여 있는 경우 열전도도의 차이를 이 용한다, 또한 크로마토그래피에서 봉우리의 면적은 각 성분의 농도에 비례하고 머무름 시간은 시료의 화학종에 따라 달라지며 농도와 무관하다.

검은색 수성 사인펜의 잉크에는 여러 색깔을 나 타내는 성분이 흔합되어 있다. 종이의 아랫부분에 사인펜으로점을찍고종이끝을물에담가놓으 면물이중이의틈을타고올라간다.물에녹을수 있는각색깔의성분은물과함께끌려올라가며, 올라가는 정도를 나타내는 점으로부터의 길이는 각 성분마다 다르다. 그것이 각 성분별로 분리되는 이유이기도 하다. 이처럼 물과 같은 운반체를 사용 해서 혼합물을 각각의 성분으로 분리하는 방법을 ‘크로마토그래피(chromatography)’라고 한다. 크로 마토그래피는 혼합물을 분리하는 분석 방법으로, 20세기 초에 클로로필과 크산토필 같은 식물성 염 료를 분리하기 위해 발명되었다. '크로마토'는 라틴 어로 '색'을, '그래피'는 '기록'을 의미한다.
크로마토그래피에서 각 성분이 분리되는 원리는 혼합물의 성분들이 정지상에 머무는 정도가 성분 별로다르다는것에있다.위의수성사인펜의예 에서 물은 이동상이며 종이는 정지상이다. 이동상 에 녹아 있는 분석하려는 혼합물은 이동상과 함께 움직이며 정지상을 통과한다. 이때 정지상에 오래 머무는화학종은찍은점에서가까운곳에,잘머 물지 않는 화학종은 정지상을 빨리 통과하므로 찍 은점에서먼곳에위치하게된다.크로마토그래 피의 종류는 기본적으로 이동상의 물리적 상태에
따라 다른 이름이 정해진다. 이동상이 액체인 것은 액체 크로마토그래피, 이동상이 기체인 것은 기체 크로마토그래피(gas chromatography)라 한다. 기 체 크로마토그래피(GC) 장치는 이동상 기체와 시 료 주입구, 분리관, 검출기, 데이터 처리 장치를 비롯한 여러 부품으로 이루어져 있다. 기체 상태의 시료가 헬륨이나 질소와 같은 이동상인 운반 기체 에 섞여서 분리관을 통과한다. 이동상으로 사용되 는 운반 기체는 분석하려는 시료와 상호 작용을 하지 않아야 하며 분석물을 이동시키는 역할만을 한다.
정지상은 분리관 내부에 놓여 있다. 정지상으로 는 휘발성이 낮고 열적으로 안정하고 화학적으로 비활성 고체가 주로 사용되는데 흔히 폴리실록세 인에 유기 작용기를 결합한 고체 화합물들이 주로 사용된다. 이동상 기체에 의해서 분리관을 지나는 시료의 성분들은 정지상에 흡착이나 용해에 의해 정지상과 이동상 사이에서 화학 평형이 이루어지 도록천천히흐르게한다.이때시료의각성분들 은 이동상과 정지상에서 평형 농도의 값이 다르다. 이렇게 각 성분이 이동상과 정지상에 다른 농도로 용해 혹은 흡착되는 현상을 분배 (partition)라고 하고, 특정 성분의 정지상에서의 농도를 이동상에 서의농도로나눈값을분배계수라한다. 수가 클수록 분석하는 시료 성분의 이동 속도가 줄어들어 머무름 시간이 증가한다. 따라서 정지상 에서 전혀 머물지 않는 성분의 분배 계수는 0이 된다.
GC의 분리관을 통과해서 나온 기체는 검출기로 들어간다. 대표적인 검출기는 FID(flame ionization detector)와 TCD(thermal conductivity detector)가 있다. FID는 불꽃 이온화 검출기로, 기체의 전기 전도도가 기체에 있는 전하를 띤 입 자의 농도에 직접 비례한다는 원리를 이용한 것이 다. 검출기 내에서 유기물 시료는 수소와 공기 불 꽃에서 전하를 띤 이온을 생성하므로, 연소될 때
성분의 농도에 비례하여 전하를 띤  이온 이 발생하며 이때 이온 전류량을 측정한다. FID는 탄화수소계 물질의 검출에 주로 쓰인다. 탄화수소 계 물질이란 탄소(C)와 수소(H) 두 가지의 원소를 모두 포함하고 있는 물질을 말한다. 따라서 
(수증기), (이산화탄소), (이산화 황), 
(질소)와 같은 탄화수소계가 아닌 화학 물질은
 이온이 아닌 다른 이온이 발생하여 검출 이 불가능하다. 한편
TCD도 검출기로 많이
사용된다. 이때는
TOD를 통과하는 운
반 기체의 열전도도와
운반 기체와 분리된
성분의 기체의 열전도
도 차이로 분석물의 존재와 그 양을 측정할 수 있 다. TCD의 장점은 FID와 달리 시료를 파괴하지 않는다는 것이다. 검출기에서 출력된 신호를 처리 한 자료를 그래프로 나타내면 <그림>과 같다. GC 의 검출기의 신호를 머무름 시간의 함수로 나타낸 그래프를 크로마토그램이라 한다.
크로마토그램에서 봉우리의 면적은 검출기를 통 과한 각 성분의 농도에 정비례하여 커진다. 그러나 머무름 시간은 시료에 포함된 화학종과 분리관의 온도에 따라 달라지며 각 성분의 농도와는 무관하 다. 머무름 시간은 정지상과 이동상의 분배에 따른 화학 평행에 의존하므로 분리관의 온도 등 다양한 변수의 영향을 받는다. 따라서 온도를 고정한 후 농도를 이미 알고 있는 표준 시료로 머무름 시간 을 측정하고, 표준 시료의 농도에 따른 봉우리의 크기를 측정한다. 그 후, 같은 실험 조건에서 시료 를 GC로 분석하면 시료에 있는 성분의 종류와 농 도를 알 수 있다.

크로마토그래피
검은색 수성 사인펜의 잉크에는 여러 색깔 을 나타내는 성분이 흔합되어 있다. 종이의 아 랫부분에 사인펜으로 점을 찍고 종이 끝을 물 에 담가 놓으면 물이 중이의 틈을 타고 올라 간다. 물에 녹을 수 있는 각 색깔의 성분은 물 과 함께 끌려 올라가며, 올라가는 정도를 나타 내는 점으로부터의 길이는 각 성분마다 다르 다. 그것이 각 성분별로 분리되는 이유이기도 하다. 이처럼 물과 같은 운반체를 사용해서 혼 합물을 각각의 성분으로 분리하는 방법을 ‘크 로마토그래피(chromatography)’라고 한다. 크 로마토그래피는 혼합물을 분리하는 분석 방법 으로, 20세기 초에 클로로필과 크산토필 같은 식물성 염료를 분리하기 위해 발명되었다. '크 로마토'는 라틴어로 '색'을, '그래피'는 '기록'을 의미한다.
크로마토그래피에서 각 성분이 분리되는 원 리는 혼합물의 성분들이 정지상에 머무는 정도 가 성분별로 다르다는 것에 있다. 위의 수성 사인펜의 예에서 물은 이동상이며 종이는 정지 상이다. 이동상에 녹아 있는 분석하려는 혼합 물은 이동상과 함께 움직이며 정지상을 통과한 다. 이때 정지상에 오래 머무는 화학종은 찍은 점에서 가까운 곳에, 잘 머물지 않는 화학종은 정지상을 빨리 통과하므로 찍은 점에서 먼 곳 에 위치하게 된다.
크로마토그래피
정지상과의 인력 차이로 혼합물의 구성물을 분 리하는 것


기체 크로마토그래피
크로마토그래피의 종류는 기본적으로 이동 상의 물리적 상태에 따라 다른 이름이 정해진 다. 이동상이 액체인 것은 액체 크로마토그래 피, 이동상이 기체인 것은 기체 크로마토그래 피(gas chromatography)라 한다. 기체 크로마 토그래피(GC) 장치는 이동상 기체와 시료 주 입구, 분리관, 검출기, 데이터 처리 장치를 비 롯한 여러 부품으로 이루어져 있다. 기체 상태 의 시료가 헬륨이나 질소와 같은 이동상인 운 반 기체에 섞여서 분리관을 통과한다. 이동상 으로 사용되는 운반 기체는 분석하려는 시료와 상호 작용을 하지 않아야 하며 분석물을 이동 시키는 역할만을 한다.
기체 크로마토그래피
이동상이 기체인 크로마토그래피


과거 지구의 대기 성분과 농도를 확인하는 법
남극의 표층에 쌓인 눈은 계속 내리는 눈에 덮이면서 점점 깊이 매몰되고 그에 따라 눈의 밀도는 점차 증가한다. 일정한 깊이에 이르면 상부에 쌓인 눈이 가하는 압력 때문에 하부의 눈은 얼음으로 변형된다. 이때 눈 입자들 사이 에 들어 있는 공기가 얼음 속에 갇히게 되고, 얼음이 두꺼워지면서 상부의 얼음이 가하는 압 력이 증가하게 되면 클라트레이트 수화물이 형 성된다. 이 속의 기포들은 당시 대기의 기체 성분을 그대로 가지게 된다. 기포가 포함된 얼 음을 시추하여 녹이면 원래의 상태로 바뀌고, 이때 기체 크로마토그래피 같은 정밀 기기를 사용하여 그 속의 기체 성분을 분석한다. 이러 한 과정을 통해 이산화탄소나 메탄 등 과거 지구의 대기 성분과 농도를 알아낼 수 있다.