에너지 분산 엑스선 분광학

에너지 분산 엑스선 분광학(Energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS, EDX, EDXS 또는 XEDS)은 때때로 에너지 분산 엑스선 분석(EDXA 또는 EDAX) 또는 에너지 분산 엑스선 미세분석(EDXMA)이라고도 불리며, 시료의 원소 분석 또는 화학적 특성 평가에 사용되는 분석 기술이다. 이는 엑스선 여기원과 시료의 상호작용에 의존한다. 이 특성 평가 능력은 각 원소가 고유한 원자 구조를 가지고 있어 방출 스펙트럼에 고유한 일련의 피크를 허용한다는 근본적인 원리(이는 분광학의 주요 원리이다)에 크게 기인한다. 피크 위치는 일반적인 EDX 기기의 실험적 해상도보다 훨씬 더 나은 정확도로 모즐리의 법칙에 의해 예측된다.

시편에서 특성 엑스선 방출을 유도하기 위해 전자 또는 엑스선 빔이 연구 중인 시료에 집중된다. 정지 상태에서 시료 내 원자는 핵에 결합된 개별 에너지 준위 또는 전자 껍질에 바닥 상태(또는 비여기) 전자를 포함한다. 입사 빔은 내부 껍질의 전자를 여기시켜 전자를 껍질에서 방출시키면서 전자가 있던 곳에 양공을 생성할 수 있다. 그런 다음 외부의 더 높은 에너지 껍질의 전자가 양공을 채우고, 더 높은 에너지 껍질과 더 낮은 에너지 껍질 간의 에너지 차이가 엑스선 형태로 방출될 수 있다. 시편에서 방출되는 엑스선의 수와 에너지는 에너지 분산 분광계로 측정할 수 있다. 엑스선의 에너지가 두 껍질 간의 에너지 차이와 방출 원소의 원자 구조에 특성적이므로, EDS는 시편의 원소 조성을 측정할 수 있게 한다.

장비

EDS 설정의 4가지 주요 구성 요소는 다음과 같다.
 여기원(전자 빔 또는 엑스선 빔)
 엑스선 검출기
 펄스 처리기
 분석기.

전자 빔 여기는 전자현미경, 주사전자현미경(SEM) 및 주사투과전자현미경(STEM)에 사용된다. 엑스선 빔 여기는 엑스선 형광(XRF) 분광계에 사용된다. 검출기는 엑스선 에너지를 전압 신호로 변환하는 데 사용된다. 이 정보는 펄스 처리기로 전송되어 신호를 측정하고 데이터 표시 및 분석을 위해 분석기로 전달한다. 가장 일반적으로 사용되는 검출기는 액체 질소로 극저온까지 냉각되는 Si(Li) 검출기였다. 현재는 열전냉각 시스템을 갖춘 실리콘 드리프트 검출기(SDD)가 장착된 새로운 시스템이 자주 사용된다.

위험 및 안전
 고전압: SEM-EDX는 높은 전압(일반적으로 수 킬로볼트)에서 작동하여 감전 위험을 초래할 수 있다.
 엑스선 방사: SEM-EDX가 일부 엑스선 기술만큼 높은 전압을 사용하지는 않지만, 장시간 노출 시 유해할 수 있는 엑스선을 생성한다. 적절한 차폐 및 안전 조치가 필요하다.
 시료 준비: 시료의 취급 및 준비에는 유해 화학 물질 또는 재료가 포함될 수 있다. 적절한 개인 보호 장비(PPE)를 사용해야 한다.
 진공 시스템: SEM-EDX에 사용되는 진공 시스템은 제대로 유지 관리되지 않으면 폭발하여 잠재적인 위험을 초래할 수 있다.
 극저온 위험: 일부 시료는 분석을 위해 극저온 기술이 필요할 수 있으며, 이는 부적절하게 다룰 경우 냉동 화상 또는 질식 위험을 초래할 수 있다.
 기계적 위험: 잘못 사용될 경우 SEM의 움직이는 부품은 부상을 유발할 수 있다.
 화재 및 폭발 위험: 일부 시료, 특히 가연성 물질이 포함된 시료는 진공 조건에서 화재 또는 폭발 위험을 초래할 수 있다.
 인체 공학적 위험: 워크스테이션이 사용자의 편안함과 안전을 위해 올바르게 설정되지 않은 경우 SEM-EDX의 장시간 사용은 인체 공학적 위험을 초래할 수 있다.

기술적 변형
섬네일|EDS의 원리
새로 생성된 양공을 채우기 위해 내부 껍질로 이동하는 전자의 과잉 에너지는 엑스선 방출 이상의 일을 할 수 있다. 종종 엑스선 방출 대신 과잉 에너지가 더 바깥 껍질의 세 번째 전자에게 전달되어 이 전자의 방출을 유도한다. 이렇게 방출된 입자를 오제 전자라고 하며, 이 분석 방법은 오제 전자 분광학(AES)으로 알려져 있다.

X선 광전자 분광학(XPS)은 AES와 유사한 방식으로 방출된 전자를 활용하는 EDS의 또 다른 밀접한 관련 기술이다. 방출된 전자의 양과 운동 에너지에 대한 정보는 이 자유화된 전자의 결합 에너지를 결정하는 데 사용되며, 이는 원소별 특성을 가지며 시료의 화학적 특성화를 가능하게 한다.

EDS는 종종 그 분광학적 상대인 파장 분산 X선 분광학(WDS)과 비교된다. WDS는 특수 결정에서 엑스선의 회절을 사용하여 원시 데이터를 스펙트럼 구성 요소(파장)로 분리한다는 점에서 EDS와 다르다. WDS는 EDS보다 훨씬 더 미세한 스펙트럼 해상도를 갖는다. WDS는 또한 EDS의 인공물(거짓 피크, 증폭기 노이즈, 마이크로포닉스)과 관련된 문제를 피한다.

엑스선 대신 전자 또는 양성자와 같은 고에너지 하전 입자 빔을 사용하여 시료를 여기시킬 수 있다. 이를 입자 유도 엑스선 방출 또는 PIXE라고 한다.

정확도
EDS는 시료에 존재하는 화학 원소를 결정하는 데 사용될 수 있으며, 상대적인 풍부도를 추정하는 데 사용될 수 있다. EDS는 또한 금속 코팅의 다층 코팅 두께 측정 및 다양한 합금 분석에 도움이 된다. 시료 조성의 정량적 분석 정확도는 다양한 요인의 영향을 받는다. 많은 원소들은 겹치는 엑스선 방출 피크를 가질 것이다(예: Ti Kβ 및 V Kα, Mn Kβ 및 Fe Kα). 측정된 조성의 정확도 또한 시료의 특성에 의해 영향을 받는다. 엑스선은 입사 빔에 의해 충분히 여기된 시료 내의 모든 원자에 의해 생성된다. 이러한 엑스선은 모든 방향(등방성)으로 방출되므로 모두 시료를 빠져나가지 못할 수 있다. 엑스선이 시편을 빠져나가 검출 및 측정에 활용될 가능성은 엑스선의 에너지와 검출기에 도달하기 위해 통과해야 하는 물질의 구성, 양 및 밀도에 따라 달라진다. 이러한 엑스선 흡수 효과 및 유사한 효과로 인해 측정된 엑스선 방출 스펙트럼으로부터 시료 조성의 정확한 추정은 정량적 보정 절차를 적용해야 하며, 이는 때때로 매트릭스 보정이라고도 불린다.

새로운 기술
실리콘 드리프트 검출기(SDD)라고 불리는 새로운 EDS 검출기로의 경향이 있다. SDD는 전자가 작은 수집 애노드로 구동되는 고저항 실리콘 칩으로 구성된다. 이점은 이 애노드의 극도로 낮은 정전 용량에 있으며, 이는 더 짧은 처리 시간을 활용하고 매우 높은 처리량을 허용한다. SDD의 장점은 다음과 같다.
 높은 계수율 및 처리,
 높은 계수율에서 기존 Si(Li) 검출기보다 더 나은 해상도,
 낮은 불감 시간(엑스선 이벤트 처리 시간),
 더 빠른 분석 기능과 몇 초 안에 수집되는 더 정밀한 엑스선 지도 또는 입자 데이터,
 비교적 높은 온도에서 저장 및 작동할 수 있어 액체 질소 냉각이 필요 없다.

SDD 칩의 정전 용량이 검출기의 활성 영역과 무관하기 때문에 훨씬 더 큰 SDD 칩을 활용할 수 있다(40 mm2 이상). 이는 훨씬 더 높은 계수율 수집을 가능하게 한다. 대면적 칩의 추가 이점은 다음과 같다.
 SEM 빔 전류를 최소화하여 분석 조건에서 이미징 최적화,
 시료 손상 감소 및
 고속 지도화를 위한 더 작은 빔 상호작용 및 향상된 공간 해상도.

관심 있는 엑스선 에너지가 ~ 30 keV를 초과하는 경우, 기존 실리콘 기반 기술은 검출기 정지력 감소로 인해 양자 효율이 좋지 않다. 텔루르화 카드 뮴(CdTe) 및 텔루르화 카드뮴 아연(CdZnTe)과 같은 고밀도 반도체로 생산된 검출기는 더 높은 엑스선 에너지에서 효율이 향상되었으며 실온 작동이 가능하다. 단일 원소 시스템, 그리고 최근에는 고에너지 엑스선 이미징 기술(HEXITEC) 시스템과 같은 픽셀화된 이미징 검출기는 100 keV에서 약 1%의 에너지 해상도를 달성할 수 있다.

최근 몇 년 동안 초전도 미세열량계를 기반으로 하는 다른 유형의 EDS 검출기도 상용화되었다. 이 새로운 기술은 EDS의 동시 감지 기능과 WDS의 높은 스펙트럼 해상도를 결합한다. EDS 미세열량계는 흡수체와 초전도 전이 가장자리 센서(TES) 온도계의 두 가지 구성 요소로 구성된다. 전자는 시료에서 방출된 엑스선을 흡수하여 이 에너지를 열로 변환한다. 후자는 열 유입으로 인한 온도 변화를 측정한다. EDS 미세열량계는 역사적으로 낮은 계수율 및 작은 검출기 영역을 포함한 여러 단점으로 인해 어려움을 겪었다. 계수율은 열량계 전기 회로의 시간 상수에 의존하여 방해를 받는다. 열용량을 작게 유지하고 열 감도(해상도)를 최대화하기 위해 검출기 영역은 작아야 한다. 그러나 수백 개의 초전도 EDS 미세열량계 배열 구현으로 계수율과 검출기 영역이 개선되었으며, 이 기술의 중요성이 커지고 있다.

 같이 보기 
 전자 탐침 미세분석
 원소 매핑
 주사전자현미경
 투과전자현미경
 파장 분산 X선 분광학
 엑스선 미세단층촬영
 엑스선분광학

 각주 

 외부 링크 
 MICROANALYST.NET – X선 미세분석 및 EDX 콘텐츠를 제공하는 정보 포털
 SEM에서 EDS를 수행하는 방법 배우기 – 마이크로스코피 오스트레일리아에서 제공하는 대화형 학습 환경

분류:계측기
분류:엑스선
분류:과학 기술