에너지 분산형 형광 X선 분광기
폭넓은 분야의 원소 분석에!
에너지 분산형 형광 X선 분광기는 "누구나 원소 분석을 할 수 있는 기기"로서 매우 폭넓은 분야에서 활용되고 있습니다. 이 광범위한 적용 가능성은 다양성 때문입니다. 간편한 전처리(샘플링)로 고체, 분말, 액체, 박막 등 다양한 형태의 시료를 분석할 수 있으며, 표준 시료 없이 정량 분석을 수행할 수 있습니다.
재료와 형광 X선 분광법 간의 상호 작용
엑스레이는 빛과 같은 전자기파의 일종이다. 가시광선의 파장은 400~800nm인 반면 X-ray의 파장은 0.001nm~10nm로 훨씬 짧고(높은 에너지) 투과력이 강한 것으로 알려져 있습니다.
그림 1은 물질과 X선의 상호작용과 이를 이용한 다양한 분석방법을 보여준다. 이러한 상호 작용은 재료의 상태를 학습하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 익숙한 예로서 의료용 X선 영상은 투과형 X선의 잘 알려진 용도이다. 여기에서는 형광 X선 분광법이라는 원소 분석 방법을 소개합니다.
그림 1 X선과 물질의 분석 방법 및 응용 상호 작용
형광 X선 분광법
물질에 X선을 조사하면 물질을 구성하는 원소 고유의 에너지(파장)를 갖는 형광 X선(특성 X선)이 발생합니다. 형광 X선 에너지를 측정할 때 포함된 원소를 식별(정성분석)하고, 각 원소의 형광 X선 강도로부터 농도를 계산(정량분석)할 수 있습니다. 이와 같이 미지의 물질에 엑스선을 조사하고 발생하는 형광 엑스선을 분석하여 물질을 정성적 또는 정량적으로 분석하는 것을 형광 엑스선 분광법이라고 합니다.
형광 X선 분광법에는 두 가지 유형이 있습니다. 분석 결정을 이용한 파장 분산형(WDXRF)과 반도체 검출기(EDS)를 이용한 에너지 분산형(EDXRF)이 있다.
에너지 분산형과 파장 분산형 분광기의 비교
파장분산형 분광기(WDXRF)의 특징은 고감도, 고정확도, 고분해능, 고재현성입니다. EDXRF(Energy Dispersive Type Spectrometer)보다 3배 높은 수준에서 감도와 정확도를 기대할 수 있습니다. 이러한 특성은 고출력 X선관(4~30kW)과 그 냉각장치, 복잡한 움직임을 하는 측각기, 분석용 크리스탈과 검출기 등의 교환기구에 의해 제공된다. 당연히 악기는 더 크고 복잡한 구조와 높은 가격을 가지고 있습니다. 시험편의 표면은 평평해야 하며 분석 가능한 영역은 수 mm에서 XNUMXmm 정도입니다. 이러한 유형의 장치는 동일한 형태의 시편을 차례로 분석하는 공정 관리에 적합합니다.
EDXRF(Energy Dispersive Type Spectrometer)의 특징은 간단한 구조와 저렴한 가격, 다양한 시료에 대한 적응성, 사용자 편의성입니다. X선 벌브는 콤팩트(수십 W)하고 공냉식이며, EDS(반도체 검출기) 자체가 분석을 하기 때문에 복잡한 분광부가 필요하지 않다.
시편의 거칠기나 형상이 중요하지 않으므로 큰 시편이나 미세영역의 분석이 가능합니다. 각 특성은 그림 2에 나와 있습니다. 이미지는 WDXRF용 대형 기기와 EDXRF용 소형 단순 기기입니다.
파장 분산형(WDXRF)
장점: 고감도, 고해상도
높은 정확도, 높은 재현성
단점: 복잡하고 크기가 크며 가격이 높음
시편은 평판으로 제한됨
에너지 분산형(EDXRF)
장점: 간단한 조작, 소형, 저렴한 가격
시편 모양의 유연성
단점: 저해상도(피크 중첩)
액체 질소 등을 필요로 하는 냉각 기구
그림 2 파장분산형(WDXRF)과 에너지분산형(EDXRF)의 비교
고체/분말/액체 샘플 샘플링
EDXRF의 특징 중 하나는 사용의 용이성입니다. 고체, 분말 및 액체 샘플의 샘플링은 아래에 설명되어 있습니다.
고체 시료의 샘플링
고체 시료의 분석은 시료를 X선 조명 위치에 놓기만 하면 가능합니다.
작은 시료의 경우 전용 셀을 사용하면 시료 세팅이 용이합니다. 그림 3은 고체 샘플 샘플링 방법을 간략하게 나타낸 것입니다.
Fig.3 고체 샘플의 샘플링
분말 시료 채취(암석, 흙, 소각재 등)
분말 샘플은 일반적으로 압축 장치를 사용하여 펠릿을 생성하여 분석합니다. 간단한 방법으로 특수 설계된 셀에 넣은 분말에 대한 분석이 가능합니다. 그림 4는 분말 샘플 샘플링 방법을 간략하게 나타낸 것입니다.
Fig.4 분말 샘플의 샘플링
액체 샘플 샘플링
액체 샘플의 경우 전용 셀이 사용됩니다. 전용 셀에 액체를 채우고 분석합니다. 또한 액체를 필터에 떨어뜨려 건조시킨 후 분석하는 방법도 있습니다. 그림 5는 액체 시료 채취 방법을 간략하게 나타낸 것입니다.
그림 5 액체 시료의 샘플링
FP 정량법 / 박막 시료의 막두께 분석
FP(기본 매개변수) 정량적 방법
EDXRF 장비는 FP 정량법이라는 이론적인 계산 방법을 사용하여 표준 샘플 없이도 미지의 샘플을 정량 분석할 수 있습니다.
FP 정량 방법은 샘플이 균일하고 충분히 크고 두껍고 모든 요소(총 100%)가 정량화된다고 가정합니다. 당연히 샘플은 이러한 가정을 만족해야 하므로 주의가 필요하다. FP 정량법의 흐름도는 그림 6과 같다.
그림 6 FP 정량 방법의 흐름도
순서도 설명
먼저 미지 시료를 측정하고 측정 강도를 구합니다.
샘플의 초기 농도를 가정하고 FP 방법을 사용하여 계산된 강도를 얻습니다.
측정 강도와 계산된 강도를 비교합니다.
측정 강도와 계산된 강도가 일치하도록 가정 농도를 변경합니다.
FP 방법을 사용하여 새로 가정된 농도로 새로 계산된 강도를 얻습니다.
3 ~ 5 단계를 반복합니다.
측정 농도와 일치하는 계산 농도를 제공하는 가정 농도가 분석 결과입니다.
박막 시료의 박막 두께 분석
박막 시료의 경우, 막을 구성하는 원소의 X선 강도와 막두께 사이에는 상관관계가 있다. 따라서 박막의 표면에 X선을 조사하고 박막을 구성하는 원소의 X선 강도를 측정함으로써 박막을 파괴하지 않고 박막의 두께를 분석할 수 있습니다.
단층 필름은 검량선을 이용하여 분석할 수 있지만 검량선법에서는 필름 종류별로 표준 시료를 준비해야 합니다. 박막 FP 정량법을 사용하면 단층막의 분석은 물론, 표준시료 없이 최대 5층까지 다층박막에서 각 층의 두께와 조성분석이 가능하며, 매우 편리합니다. 도 7은 박막 FP법의 다이어그램을 도시하고, 도 8은 Au/Ni/Cu막의 측정 예를 도시한다.
Thin Film FP(기본파라미터) 방식
박막의 두께와 조성을 동시에 비파괴 분석
최대 5개의 레이어 및 각 레이어에 대한 최대 20개의 요소
약 10nm~10μm의 막두께(요소에 따라 다름)
표준시료 불필요(이론계산)
필름의 레이어 순서, 요소 및 밀도에 대한 정보가 필요합니다.
Fig.7 박막 FP 방식의 개략도
그림 8 Au/Ni/Cu 박막 FP법 박막 측정