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XRD(X선 회절)의 뜻

결정에 X선을 쬐어, 회절한 X선의 각도와 강도로부터 결정상, 격자 상수, 결정자 크기, 변형, 배향 등을 조사하는 분석법.

일본어 명칭: XRD(X線回折)

‘XRD(X선 회절)’ 관련 연습 문제는 5개 분야에 9문제가 있습니다(재료 분석(SEM·TEM·XRD·XPS), 결정 구조와 밀러 지수, 고분자·복합재료 등).

이 용어의 분야: 재료 분석(SEM·TEM·XRD·XPS)

XRD로 알 수 있는 것

XRD에서는 X선의 파장과 비슷한 정도의 원자 간격을 갖는 결정에 X선을 쪼이고, 브래그 법칙을 만족하는 각도에서 보강된 회절 X선을 측정합니다. 피크 위치로부터는 면간 거리와 격자 상수를 알 수 있고, 데이터베이스의 패턴과 비교하여 결정상을 동정할 수 있습니다. 피크의 강도비로부터는 배향과 상의 비율을, 피크의 폭으로부터는 결정자 크기와 불균일한 격자 변형을 알 수 있습니다. 비정질 재료에서는 피크 대신 폭이 넓은 할로가 나타나므로, 결정질인지 비정질인지 판단하는 데에도 사용할 수 있습니다.

측정 배치

분말이나 다결정 시료에는 시료와 X선 검출기를 연동하여 회전시키는 θ-2θ 측정(집중법)이 기본입니다. 이 배치에서는 시료 표면에 평행한 면에서의 회절만 보게 됩니다. 박막 측정에는 X선을 얕은 각도로 입사시켜 표면 근처만 측정하는 박막법(저각 입사), 배향이나 격자의 기울기를 조사하는 로킹 커브, 에피택셜 막의 조성이나 격자 변형을 조사하는 역격자 맵 등이 사용됩니다. X선원으로는 Cu Kα선(파장 약 0.154 nm)이 가장 널리 쓰입니다.

정량과 정밀화

피크 위치로부터 격자 상수를 정밀하게 구하면 고용체의 조성(베가드 법칙)이나 잔류 응력(sin²ψ법)을 추정할 수 있습니다. 여러 상의 비율은 피크 강도를 표준 시료와 비교하거나, 패턴 전체를 계산과 맞추는 리트벨트 분석으로 구합니다. 피크 폭으로부터는 셰러 식으로 결정자 크기를 추정하지만, 장치에 의한 피크 퍼짐을 빼고 격자 변형의 기여를 분리해야 합니다. 정확한 결과를 얻으려면 각도 보정과 시료 높이 어긋남의 보정이 꼭 필요합니다.

고장 분석과 품질 관리에서의 활용

제조 공정의 현장에서는 성막한 막의 상과 배향 확인(예: 실리사이드의 상 동정이나 Cu 배선의 (111) 배향), 열처리에 의한 결정화 확인, 부식 생성물이나 이물의 동정 등에 XRD가 사용됩니다. 다만 검출에는 일반적으로 수 % 이상의 함량과 어느 정도의 부피가 필요하므로, 미세한 이물이나 미량 상의 검출에는 적합하지 않습니다. 이런 경우에는 미소부 XRD, TEM의 전자 회절, 라만 분광법 등과 조합합니다. 시료를 파괴하지 않고 측정할 수 있어 다른 분석보다 먼저 수행할 수 있다는 점도 큰 장점입니다.

XRD(X선 회절) 연습 문제에 도전

Cu Kα선(파장 0.15406 nm)을 사용한 XRD에서, 면간 거리 0.3135 nm인 Si(111)면으로부터의 1차 회절 피크가 나타나는 회절각 2θ에 가장 가까운 것은 무엇인가?

  1. A약 14.2°
  2. B약 28.4°
  3. C약 58.9°
정답과 해설 보기

정답: B. 약 28.4°

브래그 법칙 2d sinθ = nλ(n = 1)로부터 sinθ = 0.15406/(2 × 0.3135) ≈ 0.2457이며, θ ≈ 14.2°, 회절각은 2θ ≈ 28.4°입니다. XRD 장치나 데이터에서는 입사 X선과 회절 X선이 이루는 각 2θ를 가로축으로 잡는 것이 보통입니다. 약 14.2°는 θ를 그대로 답한 오류, 약 58.9°는 브래그 식의 2를 빠뜨려 sinθ = λ/d로 한 오류입니다. 실리콘 분말의 28.4° 부근 피크는 강하고 날카로우므로 회절각 교정의 표준으로도 자주 사용됩니다.

FCC 구조 금속의 분말 XRD에서 가장 저각 쪽에 나타나는 회절 피크의 지수는 무엇인가?

  1. A(100)
  2. B(110)
  3. C(111)
정답과 해설 보기

정답: C. (111)

FCC에서는 h, k, l이 모두 짝수이거나 모두 홀수일 때만 회절이 나타나며, 짝수와 홀수가 섞여 있으면 단위정 안의 원자 4개로부터의 산란이 서로 상쇄되어 강도가 0이 됩니다(소멸 규칙). 따라서 피크는 (111), (200), (220), (311)…의 순서로 나타나며, h² + k² + l²이 가장 작은 (111)이 면간 거리가 가장 커서 가장 저각 쪽이 됩니다. (100)과 (110)은 모두 짝수와 홀수가 섞여 있으므로 FCC에서는 나타나지 않습니다. BCC에서는 h + k + l이 짝수인 면만 나타나므로 첫 번째 피크는 (110)이 되며, 피크의 배열 방식으로 FCC와 BCC를 구별할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

XRD로 원소 분석을 할 수 있습니까?

XRD로 알 수 있는 것은 결정 구조이며, 원소의 종류를 직접 측정할 수는 없습니다. 같은 원소라도 구조가 다르면 다른 상으로 구별할 수 있는 반면, 원소 분석에는 EDS나 형광 X선 분석 등을 조합합니다.

비정질 막을 XRD로 측정하면 어떻게 됩니까?

날카로운 피크는 나타나지 않고, 폭이 넓고 완만한 언덕 모양(할로)이 됩니다. 열처리 후 피크가 나타나면 결정화되었다고 판단할 수 있습니다.

XRD의 검출 깊이는 어느 정도입니까?

재료와 X선의 입사각에 따라 다르지만, θ-2θ 측정에서는 금속의 경우 수 µm~수십 µm, 가벼운 원소로 이루어진 재료에서는 더 깊은 곳까지 도달합니다. 박막만 측정하고 싶을 때는 저각 입사 배치를 사용합니다.

해설 속의 ‘XRD(X선 회절)’

‘XRD(X선 회절)’ 관련 문제(9문제)

  1. Cu Kα선(파장 0.15406 nm)을 사용한 XRD에서, 면간 거리 0.3135 nm인 Si(111)면으로부터의 1차 회절 피크가 나타나는 회절각 2θ에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  2. FCC 구조 금속의 분말 XRD에서 가장 저각 쪽에 나타나는 회절 피크의 지수는 무엇인가?
  3. Cu Kα선(파장 0.15406 nm)을 사용한 구리(FCC)의 분말 XRD에서 가장 저각 쪽의 피크가 2θ = 43.30°에 나타났다. 구리의 격자 상수에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  4. XRD에서 2θ = 38.2°에 나타난 피크의 반치폭(장치에 의한 퍼짐을 제외한 것)이 0.40°였다. 셰러 식 D = Kλ/(β cosθ)에서 K = 0.9, λ = 0.15406 nm라고 하면 결정자 크기에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  5. 알루미늄(FCC, 격자 상수 0.405 nm)의 (111)면의 면간 거리에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  6. 폴리에틸렌의 완전 결정의 밀도를 1.000 g/cm³, 완전 비정질의 밀도를 0.850 g/cm³라고 한다. 밀도 0.925 g/cm³인 시료의 결정화도(질량 분율)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
  7. 반도체의 고장 분석에서 도펀트의 깊이 방향 농도 분포를 ppm~ppb 수준의 감도로 조사하는 데 가장 적합한 기법은 무엇인가?
  8. 분말의 비표면적을 측정하는 BET법의 원리로 옳은 것은 무엇인가?
  9. 소다석회 유리와 같은 산화물 유리의 원자 배열에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?

재료과학 계산 도구

XRD 계산 도구(브래그 법칙과 소멸 규칙)입방정의 면간 거리와 회절각 2θ, 소멸 규칙으로 나타나는 피크를 계산재료를 위한 주기율표원소별 실온 결정 구조(BCC·FCC·HCP·다이아몬드 구조)와 격자 상수·밀도·융점·영률·동소 변태를 주기율표에서 확인

관련 용어

브래그 법칙 소멸 규칙 셰러 식 결정화도 SIMS(2차 이온 질량분석법) EDS(에너지 분산형 X선 분광법) 비표면적 BET법 SEM(주사 전자 현미경) XPS(X선 광전자 분광법)

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