X선 분석기란?
X선 분석기는 대상물에 X선을 조사했을 때 나타나는 형광 X선 스펙트럼을 통해 원소 함량을 분석하는 장치를 말합니다.
X선 분석기는 물질의 정성분석과 정량분석에 이용되고 있으며, 시료를 파괴하지 않고 단시간에 조사할 수 있어 물질의 조성 분석 방법으로 활용되고 있습니다.
X선 분석기는 고체, 액체에서도 측정이 가능하며, 정성분석의 방법으로 비교적 고감도이기 때문에 신뢰성이 높은 검사 장비입니다.
X선 분석기의 사용 용도
X선 분석기는 고체, 액체를 막론하고 시료의 정성분석, 정량분석을 비파괴로 할 수 있습니다. 특히 합금 재료나 토양에 함유된 유해 금속의 유무와 그 함량을 조사하는 데 활용되고 있습니다.
예를 들어, 암석, 운석 등 성분을 알 수 없는 물질의 성분을 조사할 때 X선 분석이 효과적입니다. 최근에는 환경 및 안전 보전 차원에서 인쇄배선의 무할로겐화가 진행되고 있으며, 이를 보증하기 위해 X선 분석기로 분석이 이루어지고 있습니다. 그 외에도 유해화학물질의 정성 및 정량 분석에 이용되며, RoHS 지침에서 규정하는 물질의 검사에 활용됩니다. 또한, 쉽게 휴대할 수 있는 휴대용 장치도 판매되고 있어 그 용도가 확대되고 있습니다.
X선 분석기의 원리
그림 1. X선 분석기의 구조
그림 1. (a) 형광 X선 발생 (b) X선 분석기 구조
X선 분석기에서는 대상에 X선을 조사하여 방출되는 형광 X선의 파장(또는 에너지)과 강도를 측정합니다.
물질에 X선을 조사하면 그 원자는 에너지를 흡수하여 여기되어 형광 X선을 방출합니다. 형광 X선의 파장(또는 에너지)은 원소마다 고유하기 때문에 검출된 형광 X선 스펙트럼의 파장으로 물질의 종류를 파악하고, 그 강도로 정량화할 수 있습니다.
X선 분석기는 X선을 발생시키는 X선원, 시료를 보관하는 시료실, 발생된 형광 X선을 분광 및 검출하는 검출부로 구성되어 있습니다.
X선원에서는 고전압을 가하여 발생시킨 전자선을 텅스텐 등의 타겟에 조사하여 X선을 발생시킵니다. 생성된 X선을 시료의 상면 또는 하면에 조사합니다. 이때 시료실 내부는 대기, 질소, 진공 등 분위기를 선택할 수 있습니다.
또한 시료 관찰 모드가 부착된 X선 분석기에서는 시료를 관찰하면서 조사 위치를 선택할 수 있는 경우도 있습니다. 시료에서 방출되는 원소 유래의 형광 X선을 검출기로 검출하여 정성분석을 실시합니다. 정량 분석에서는 형광 X선의 강도를 측정하여 검량선이나 기본 파라미터법(FP법)을 이용하여 함량을 구합니다.
X선 분석장치의 분광-검출 방법에는 파장 분산형과 에너지 분산형이 있습니다.
1. 에너지 분산형 형광 X-선 분석기
그림 2. 에너지 분산형 X선 분석기 측정 이미지
그림 2. 에너지 분산형 X선 분석기 측정 이미지
에너지 분산형 형광 X선 분석기(약칭: ED-XRF 또는 EDX, EDS)는 형광 X선의 에너지에 대해 그 강도를 측정하는 방법입니다.
구체적으로는 검출기에 입사된 형광 X선을 검출기 내 반도체에서 펄스 전류로 변환하여 증폭한 후, 하나의 펄스 전류 값에서 파고를 측정합니다. 전류값에서 입사된 X선의 에너지는 전류값에 비례하기 때문에 형광 X선의 에너지에 대한 강도 그래프를 얻을 수 있습니다.
2. 파장분산형 형광 X선 분석기
그림 3. 파장분산형 X선 분석기 측정 이미지
그림 3. 파장분산형 X선 분석기 측정 이미지
파장 분산형 형광 X선 분석기(약칭: WD-XRF 또는 WDX, WDS)는 형광 X선의 파장에 대해 그 강도를 측정하는 방법입니다.
파장 분산형에서는 시료에서 발생한 형광 X선을 분광 결정으로 분광하여 검출기로 측정합니다. 분광 결정에 입사된 형광 X선은 Bragg의 회절 조건에 따라 특정 방향으로 강하게 산란됩니다.
브래그의 회절 조건이란 파장 λ의 빛이 격자면 간격 d의 물질에 입사했을 때, 2dsinθ=nλ (θ: 브래그각 n: 정수)를 만족하는 회절각 2θ의 방향으로 강하게 산란된다는 법칙입니다. 즉, 분광 결정의 면간격 d는 고정되어 있기 때문에 다양한 파장의 X선이 입사하더라도 회절각 2θ 방향에 검출기가 있을 때는 한 가지 파장의 X선만 검출됩니다. 검출부를 회전시켜 넓은 각도로 형광 X선을 측정하면 형광 X선의 파장에 대한 그 강도의 그래프를 얻을 수 있습니다.
X선 분석기의 기타 정보
에너지 분산형과 파장 분산형의 특징
에너지 분산형과 파장 분산형 검출 방법은 각각 특징이 있으므로 용도에 따라 적절히 선택해야 합니다.
1. 에너지 분산형
에너지 분산형은 분광이 필요 없이 반도체 검출기가 직접 형광 X선의 파장을 분석할 수 있기 때문에 소형화가 가능합니다. 또한, 분광이 필요 없이 한 번에 여러 종류의 원소 분석을 할 수 있어 단시간에 측정이 가능합니다. 시료의 형상이나 요철에 관계없이 측정할 수 있기 때문에 전자현미경 등과 함께 사용되기도 합니다.
반면, 스펙트럼의 피크가 겹치는 경우가 있어 분해능이 낮은 경향이 있고, 측정 대상에 미량만 포함된 원소의 검출이 어렵다는 단점이 있습니다.
2. 파장 분산형
파장 분산형에서는 형광 X선을 분광결정으로 분광하여 검출기로 측정합니다. 파장으로 분광하기 때문에 인접한 피크의 분리가 용이하고 민감도와 분해능이 높은 편입니다.
반면, 복잡한 분광계를 가지고 있기 때문에 장치 자체가 크고 고가라는 단점이 있습니다. 또한 회절각을 변화시키면서 측정하기 때문에 에너지 분산형에 비해 측정 시간이 오래 걸리며, 시료 표면이 매끄러워야 합니다.