X-ray 회절 분석기 원리 및 이론, 적용 분야

 

1. X-ray 회절 분석기(XRD) 원리 및 이론

순수한 결정 물질에  X-ray를 조사시켜 생기는 회절 패턴으로 우리는 그 물질의 구조에 관한 데이터를 얻을 수 있습니다. 기록지상에서 최대 회절 피크의 위치와 피크의 강도를 찾아 비교해 보면 모든 물질은 그 물질만의 고유한 회절 패턴을 가지고 있음을 알 수 있습니다.

 

여러 가지 성분이 혼합된 혼합물에서도 각각 물질 나름의 독립적인 회절 패턴을 가지고 있기 때문에 혼합물 또한 식별이 가능합니다. 혼합물 중의 각 성분의 양과 회절 X-ray의 강도 사이에는 일정한 상관관계가 있으므로 이러한 회절 패턴을 이용하여 정량 분석도 가능합니다.  

 

이러한  X-ray 회절 현상을 이용한 X-ray 회절 분석법은 시초에는 비교적 단순한 형태의 결정 물질 속에 있는 원자들의 배열과 상호거리에 관한 지식을 주었고 금속, 중합 물질, 다른 고체들의 물리적 성질을 명확하게 이해하는 데 상당히 많은 도움을 주었습니다.

 

최근에는 X-ray 회절 연구를 이용하여 스테로이드, 비타민, 항생물질과 같은 복잡한 자연물의 구조를 밝히는 데 주로 노력하고 있습니다. 또한 특정 시료가 가지고 있는 구성 성분이 무엇인지 몰라도 이 시료에 X-ray를 조사시켜서 나타나는 회절 패턴을 이미 널리 알려진 시료에서 얻어진 회절 패턴과 서로 비교하여 그 구성 성분이 무엇인지 정보를 얻어낼 수 있습니다. 

 

 

2. 결정에 의한 회절

 

 

 

 

 

물질에 입사된 X-ray의 일부는 파장의 변화 없이 산란합니다. 이를 간섭성 산란 혹은 Thomson 산란이라고 부릅니다. 이 산란은 한 개 한 개의 전자에 의해 생깁니다. 원자는 전자의 집합체로 이루어져 있으므로, Thomson 산란과 같은 간섭은 원자에 의한 X-ray의 산란으로 증명됩니다. 원자가 규칙적으로 배열된 결정체는 원자에 의한 산란 X-ray의 간섭 결과로 특정 방향으로 강하게 산란합니다. 

 

1) 전자에 의한 X-ray 산란

벡터 E와 1차 X-ray의 입사 방향을 0 → y라 하고, 벡터의 x축, z축 방향의 성분을 각각 E_x, E_z라고 할 때, 원점 0에 있는 한 개의 전자에 의한 X-ray 산란을 예로 들어보겠습니다. 

x, y 평면 내에 0y와 2θ의 각도, 0에서 거리 r의 관측점 P에서 전자의 산란에 의한 전장 E₀을 보면 

E₁ = E_z/r × e²/mc²

E₂ = E_x/r × e²/mc² × cos2θ

e : 전자의 전하

m : 전자의 질량

c : 광속도

 

X-ray 관에서 나오는 X-ray는 그 전장의 진동이 방향성을 가지고 있지 않으므로, E_0x = E_0z = E₀/2와 같은 관계가 성립합니다. 다음에 X-ray의 강도 I₀는 비례상수를 k라 할 때, I₀ = kE₀²가 된다. 전자에 의한 산란 X-ray 강도 I_e를 구하면, 

I_e = kE₀² = k(E₁² + E₂²) = kE₀²  ×1/r²  × (e²/mc²)² × (1 + cos²θ/2) = I₀  × (1/r²  × (e₂/mc²)² × (1 + cos²2θ/2) 가 됩니다.

이 식을 Thomson 산란 식이라 합니다.

 

2) 원자에 의한 X-ray 산란

원자에 의한 X-ray의 산란을 원자번호 Z의 원자에 대하여 보면, Ze의 전하를 가지고 있는 원자핵과 Z개의 전자에 의한 산란이 있으므로, 원자핵에 의한 산란은 전자에 의한 것에 비하면, 1/2000 정도로 무시할 수 있습니다. 그래서 궤도전자에 의한 산란만을 고려하게 됩니다. 입사 X-ray와 동일한 방향의 산란은 전자 한 개에 의한 산란의 Z 배가 되나, 입사 X-ray 방향과 각도를 갖고 있는 방향은 각각의 전자에 의한 산란 X-ray와의 사이에는 간섭하여 감소하는 경향이 있습니다. 

 

 

3. 적용 분야

XRD는 X-ray 회절을 이용하여 결정구조를 분석할 수 있는 장비로 X-ray 회절 무늬가 각 결정물질에 고유하게 나타나기 때문에 각 결정 무늬로 재료의 결정구조를 분석할 수 있습니다. 시료에 X-ray를 조사시키면 각각의 원자로부터 산란파가 서로 간섭 현상을 일으켜 특정한 방향으로만 회절파가 발생하는데, 이를 X-ray 회절현상이라 합니다.

X-ray 회절의 강도와 진행 방향은 물질을 구성하는 원자의 배열 상태에 따라 달라집니다. 그러한 특징을 활용하여  X-ray를 시료에 조사함으로써 물질의 미세 구조를 알 수 있습니다. 

 

XRD를 이용하여 얻을 수 있는 데이터는 다음과 같습니다.

1) 시료에 대한 제한이 적고, 모든 고체 시료에 대해 비파괴 분석 가능

2) 분말, 판상, 액체, 리본, 박막 시편 측정 가능

3) 물질의 결정구조와 화합 형태가 다르면 회절 패턴 형태가 변화

4) 표준물질의 데이터 파일과 비교해서 물질을 구별할 수 있음

5) 결정의 면 간격을 정확히 측정 가능

6) 결정성 조사 가능

7) 결정의 배향성 분석 가능

8) 결정 내부 변형 측정 가능