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데스크탑 X-선 회절분석기의 In-situ 실험 확장

Rigaku Corporation의 '데스크탑 X-선 회절분석기의 In-situ 실험 확장'에 관한 응용자료의 주요 내용은 다음과 같다.

X-선 회절분석의 소개

X-선을 시료에 조사하여 결정 내 주기적 배열에 의한 회절 현상을 이용하는 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer, XRD)는 세라믹, 금속, 반도체, 고분자, 제약, 식품 등 소재 및 원료 연구 전반에 걸쳐 결정상(Phase) 판별 및 결정구조 관련 정보 분석에 이용되고 있다. 결정구조는 물질의 물리 화학적 혹은 전기적 특성을 좌우하며, 이러한 결정구조 분석이 가능한 X-선 회절분석기는 재료 연구에 있어 기본적으로 갖추어야 할 필수 장비에 해당한다.

그림 1. X-선 회절분석기를 이용한 혼합시료의 결정상 판별 결과

오랜 기간 국내에 구축되어 온 X-선 회절분석기는 X-선 발생부의 출력이 3kW급의 장비가 대다수이며, 범용 3kW급 장비에서 확인되지 않는 미량 함유 시료, 극박막 시료 등의 난시료 측정이나 In-situ 실험 등을 목적으로 하는 고출력(18kW 또는 9kW 출력) X-선 회절분석기가 대학/연구소의 중앙 분석실을 중심으로 구축되어 운용되고 있다.

(고출력 X-선 회절분석기는 3kW급 장비에서 사용하는 Sealed tube 타입이 아닌 Rotating anode 타입의 X-선 광원을 사용한다.)

그림 2. 최신 고출력(9KW) X-선 회절분석기 SmartLab

그림 3. 고출력(9kW) Rotating anode

데스크탑 X-선 회절분석기의 출현

범용 3kW급 이상의 장비는 양문형 냉장고 정도 크기의 스탠드형으로, X-선 생성 과정에서 발생하는 열을 식혀주는 냉각장치 등의 유틸리티까지 구성할 수 있는 충분한 공간을 필요로 하며, 방사선 발생장치 사용에 따라 사용 신고 및 안전 관리자 선임 등 다소의 번거로움이 따른다.

이러한 제약을 배제한 데스크탑 X-선 회절분석기는 1973년부터 RIGAKU 社에 의해 개발·공급되었으며, 현재 국내 약 100여 대가 보급되어 운용 중에 있다.

RIGAKU 社의 최신 모델인 ‘MiniFlex 600’은 전 세계 데스크탑 X-선 회절분석기 중에 X-선 출력이 600W로 가장 높으며, 300W 출력을 사용하는 타 장비에 비해 X-선 강도가 약 2.3배 가량 더 우수하다. (이는 600W 장비에서 사용되는 40kV의 가속전압이, 300W 장비가 사용하는 30kV의 가속 전압보다 X-선 여기 효율에서 더 우수함에 기인한다.)

그림 4. 데스크탑 X-선 회절분석기 MiniFlex 600

그림 5. 600W-300W 출력에 따른 X-선 강도 비교

1D 고감도 반도체 검출기는 3kW 스탠드형 장비에 비해 상대적으로 약한 X-선 출력의 문제를 획기적으로 보완하여, 기존 SC(Scintillation Counter)를 사용하는 장비의 교체를 가속화 하게 된다.

1D 고감도 검출기 ‘D/teX Ultra’는 100개 이상의 다채널 검출기로 기존 검출기 대비 100배 이상 고속/고강도 측정이 가능하며, 형광 X-선 감소 기능을 갖추고 있다.

그림 6. 1D 고감도 반도체 검출기 D/teX Ultra 감도 비교

그림 7. D/teX Ultra와 SC 검출기에 따른 X-선 감도 비교

데스크탑 X-선 회절분석기의 In-situ 실험 확장

데스크탑 X-선 회절분석기는 기존 스탠드형 장비의 소형화와 단순화를 통한 편의성을 갖춤과 동시에, 기기 내 공간의 제약으로 인해 3kW 스탠드형 장비 대비 응용 장치의 확장성이 제한된다.

이로 인해 대부분의 데스크탑 장비는 자동 시료 교환기 혹은 공기 차폐 홀더 등을 지원하는 정도의 수준에 그치고 있다.

그림 8. XRD 자동 시료 교환기

그림 9. XRD 공기 차폐 홀더

최근 Rigaku 社의 ‘MiniFlex 600’은 온도실험 응용 장치인 ‘Hot plate attachment’를 개발·지원하고 있으며, 이는 스탠드형 장비에서만 가능했던 In-situ 회절 실험을 데스크탑 장비에서도 간단히 수행할 수 있게 한다.

(a)

(b)

그림 10. In-situ 온도실험 응용 장치 Hot plate attachment (a)와 데스크탑 장비에 장착 모습(b)

그림 11은 In-situ 온도실험 응용 장치를 이용하여 질산칼륨(KNO₃) 시료의 온도에 따른 결정상 전이 실험 결과이다. 상온에서 시작하여 120°C에서 140°C까지 10°C 단위로 승온하여 XRD 데이터를 얻었으며, 다시 140°C에서 100°C까지 10°C 단위로 냉각하여 XRD 데이터를 얻은 결과이다. 승온 과정에서 130°C까지는 열팽창에 의한 X-선 피크의 쉬프트를 확인 할 수 있고, 이후 140°C 데이터를 통해 알파상에서 베타상으로의 상전이가 확인된다.

냉각 과정에서 120°C 데이터와 110°C 데이터를 통해 베타상에서 감마상으로, 다시 감마상에서 알파상으로 상전이를 바로 확인할 수 있다.