에너지 분산 엑스선 분광학

[400px|섬네일|right|열수분출구 새우 [림리카리스 엑소쿨라타(Rimicaris exoculata)의 광물 껍질에 대한 EDS 스펙트럼. 이들 피크 대부분은 전자가 K 전자 껍질(K 전자 껍질)(K-알파 및 K-베타 선)로 돌아올 때 방출되는 엑스선이다. 하나의 피크는 철의 L 껍질에서 나온다.]]
**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&nbsp;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

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분류:과학 기술