XRD 분석에서 Cu 소스를 사용하는 이유

X선 회절(XRD) 분석은 재료의 결정 구조 정보를 얻는 데 필수적인 기술입니다. 이 분석을 수행할 때, 가장 일반적으로 사용되는 X선 소스는 구리(Cu)입니다. 왜 수많은 원소 중에서 특히 구리가 선택되는 것일까요? 이번 블로그 초안에서는 XRD 분석에서 Cu 소스를 사용하는 결정적인 이유들을 자세히 살펴보겠습니다.

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XRD 분석의 핵심은 브래그의 법칙(Bragg’s Law)을 통해 X선의 파장과 시료의 면간 거리(d) 사이의 관계를 이용하는 것입니다.

1. 결정 구조와의 적합성:
알려진 바와 같이 Cu Kα 방사선의 파장은 약 0.154 nm 입니다. 이 파장 영역은 대부분의 결정성 고체 재료가 가지는 면간 거리(d)와 매우 유사합니다. 이처럼 파장이 면간 거리와 비슷한 크기일 때, 브래그 회절 조건이 가장 잘 충족되어 선명하고 강한 회절 피크를 얻을 수 있습니다.

2. 높은 해상도:
적절한 파장을 사용하여 넓은 2theta 범위에서 다양한 회절 피크를 얻을 수 있으며, 이는 정밀한 결정 구조 분석을 가능하게 합니다.

(참고) [포스팅] XRD의 기본 원리

XRD 장비는 강한 X선 빔을 생성해야 합니다. 구리는 이러한 요구 사항을 충족하는 데 매우 효율적입니다.
이때 생성 효율이 매우 중요합니다. 특히 구리 타겟을 고에너지 전자로 충돌시킬 때 발생하는 특성 X선인 Cu Kα는 생성 효율이 높습니다. 이는 분석 시간을 단축하고 데이터의 신뢰성을 높이는 데 기여합니다.

Cu 타겟을 사용하는 X선 튜브는 제조가 용이하고 안정적으로 작동하며, 많은 장비에 호환이 용이합니다. 따라서 전 세계적으로 가장 널리 표준 소스로 사용하는 것입니다.

물론 필요에 따라서 다른 소스를 사용하는 경우도 많습니다.

XRD 분석에서 시료 내의 원소가 입사된 X선에 의해 들뜨면서 발생하는 형광 X선은 회절 패턴의 배경 노이즈(Background Noise)를 증가시켜 데이터의 질을 저하시킬 수 있습니다.

일반적으로 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni)과 같은 전이 금속을 포함하는 시료를 Cu X선으로 분석할 경우, 시료 내의 이들 원소에 의해 형광 X선이 강하게 발생할 수 있습니다.

Ni 필터의 사용: Cu Kα 라인에 비해 에너지가 낮은 Cu Kβ 라인과 브렘스슈트랄룽(Bremsstrahlung)을 효과적으로 제거하기 위해 니켈(Ni) 필터를 사용하는 경우가 많습니다.

하지만 시료 자체에 Cu가 포함되어 있지 않다면, Cu X선 소스를 사용하는 것은 대다수의 다른 원소에 대해 형광 발생을 최소화하여 깨끗한 회절 패턴을 얻는 데 유리합니다.

하지만 가장 큰 이유 중에 하나는 XRD 기술의 발전과 함께 Cu 소스는 수십 년 동안 표준처럼 사용되어 온 것으로부터 기인합니다. 방대한 양의 데이터가 있거든요.

• 데이터베이스: 국제 회절 데이터 센터(ICDD)의 PDF(Powder Diffraction File) 데이터베이스와 같은 대부분의 표준 XRD 데이터는 Cu Kα 방사선을 사용하여 측정된 결과를 기반으로 합니다. 따라서 Cu 소스를 사용하여 얻은 데이터는 기존 데이터와 직접적으로 비교하고 매칭하기 매우 쉽습니다. 
• 경제성: Cu X선 튜브는 다른 특수 소스(예: Mo, Cr, Co)에 비해 가격이 저렴하고 유지보수가 용이합니다.

이러한 기술적, 실용적 이점들 덕분에 Cu X선 소스는 현재까지도 XRD 분석 분야에서 대체 불가능한 위치를 차지하고 있습니다.