엑스선 광전자 분광기 분석 데이터 활용, 기타 응용 분야, 한계

 

1. 엑스선 광전자 분광기 분석 데이터 활용

 

1) 원소의 성분 분석

 시료 내 어떤 원소가 들어있는지 확인하기 위해서는 전 에너지 영역을 조사해야 합니다. 이를 Survey scan 혹은 Wide scan이라고 부릅니다. 이 때 구성 원소들은 고유한 스펙트럼을 가지게 되므로 수소, 헬륨을 제외한 원자번호 3번 이상의 원소 성분 분석이 가능합니다.

 

2) 원소의 상태 분석

결합에너지는 원자를 둘러싼 화학적 환경에 따라 달라집니다. 즉, 원자의 화학적 결합상태가 다르면 결합에너지의 값은 수 eV가 변화하기 때문에 이 값에서 화학적 결합상태와 원자가 전자의 상태를 확인할 수 있습니다. 

 

3) 상대 정량 분석

시료의 표면에서 튀어나오는 광전자 피크의 단면적이나 높이를 이용하여 시료를 구성하고 있는 원소의 조성비와 상대적 원소들의 정량을 구할 수 있습니다. 엑스선 광전자 분광법의 정량분석에는 크게 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째로 상대 감도계수 또는 표준시료에 의한 검량선법입니다. 그리고 두 번째는 세기 인자를 가정하여 원소의 농도를 구하는 방법입니다. 그러나 다음과 같은 다양한 조건들 때문에 일반적으로 XPS에서 정량분석은 어렵다고 알려져 있습니다. 

 

① 각각의 원소마다 광전자 피크의 상대적 세기가 다르다.

② 어떤 원소의 표면 농도는 같을 수 있지만 시료의 형태에 따라 방출되는 광전자의 양은 다를 수 있다.

③ 분석 장비를 사용할 때 X-ray tube나 측정 환경 오염에 따라 X-ray의 세기가 시간에 따라 감소한다.

 

따라서 엑스선 광전자분광법은 한 개 시료에 포함된 원소의 피크를 얻기 위해 연속적으로 측정한 데이터와 한 개 원소에 대하여 원소 피크와 이동한 피크를 얻을 경우 피크 면적비 혹은 전체를 100%로 놓고 상대 비교한 데이터만 얻을 수 있습니다. 

 

 

4) 수직 분포 분석

시료 표면에 아르곤 기체로부터 발생시킨 양이온을 충돌시켜 표면을 분당 수 nm씩 깎아내며 표면 깊이 방향으로 분석하는 방법입니다. 일반적으로 depth profiling이라고 부르는 이 분석법은 시료의 조성과 두께에 따라 파라미터 설정이 매우 다양하고 시간이 오래 걸립니다. 깊이에 따라 시료에 포함된 조성변화와 화학적 결합 상태 변화를 분석하기 때문에 다층 박막의 계면 상태와 산화수의 변화를 추적하는 데 매우 유용한 분석법입니다. 

5) 절연 물질의 분석

분석 시료가 고분자, 유리, 고무, 세라믹 등과 같은 절연 물질일 경우 광전자가 방출되고 난 자리에 양전하가 쌓이게 되고 전자가 부족하게 됩니다. 이런 하전 현상은 광전자 피크 포지션이 높은 바인딩 에너지 방향으로 이동하게 할 수 있습니다. 이러한 현상을 해결할 수 있는 방법 중 잘 알려진 원소의 정확한 에너지를 이용해서 보정해 주어야 합니다. 일반적으로 보정에 사용되는 원소는 C 1s : 284.6 eV, Au 4_f7/2: 83.8 eV, Ag 3d_5/2 : 367.9 eV입니다. Auger electron spectroscopy에서는 절연물질을 측정하는 데 매우 제한적이기 때문에 최근에는 XPS가 매우 유용한 툴로 사용되고 있습니다. 

 

6) 유기화합물 분석

유기화합물은 장비 하나의 분석으로 데이터 해석을 할 수 없는 경우가 대부분입니다. 이런 경우 IR 스펙트럼, NMR 데이터와 함께 XPS 스펙트럼을 서로 보완해서 해석하고 분석하면 훨씬 유용한 정보를 얻을 수 있습니다. XPS 분석 방법으로 유기물질의 원소 정량, 원자 화학적 결합 상태, 구조적 해석, 원자가 전자의 성질을 규명할 수 있습니다. 또한 고분자의 분해 메커니즘, 피막 현상의 분석에 매우 설득력 있는 데이터를 얻을 수 있습니다. 

 

 

2. 기타 응용 분야

1) 금속 재료의 표면 산화상태, 부식 상태, 부동태 피막, 내식성, 도장성, 밀착성 등의 구조 해석

2) 반도체 기술 개발을 위한 여러 가지 실험조건에 의한 표면, 계면 상태 분석

3) 무기 산화물, 촉매, 세라믹스 등의 산화상태 그리고 원소의 분포도 결정 

4) 고분자 복합재료 연구

5) 금속 표면에서의 가스 흡착과 탈착 연구

 

3. 한계

엑스선 광전자 분광법은 매우 유용한 분석기법이지만 한계점도 있습니다. 수소와 헬륨의 표면은 측정하지 못한다는 것 그리고 진공 상태에서 시료를 측정해야 하기 때문에 액체와 습윤한 시료의 경우 측정하기 어렵습니다. 이러한 한계는 다른 표면 분석 방법을 통해 상호 보완적인 데이터를 얻어 극복할 수 있습니다.