XRD 원리와 브래그 법칙 – 결정 구조 분석의 기본

XRD(X-ray Diffraction, X선 회절)는 결정 구조를 분석하는 대표적인 방법입니다. X선을 이용하여 시료 내부의 규칙적인 원자 배열과 X선의 상호작용을 해석해 결정 구조, 격자 간격, 결정 크기, 상(phase) 등을 빠르고 정확하게 파악할 수 있습니다. 시료의 손상이 없이 분석이 가능한 비파괴 분석이며, 다양한 결정, 비결정성 재료의 연구와 품질 관리에 필수적으로 활용됩니다.

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XRD 분석은 기본적으로 X선을 이용한 분석 방법인데요. 요약하면 시료에 X선을 조사했을 때 결정면에 부딪힌 X선이 결정 구조에 따라 반사와 회절을 일으키는 원리를 이용한 것입니다. 이때 특정 조건이 만족되면 다시 반사된 X선이 서로 보강 간섭을 하여 강한 회절 신호가 나타나고, 이 현상을 바로 브래그 법칙(Bragg’s law)으로 설명할 수 있습니다.

nλ=2dsinθ

$n$: 회절 차수
λ: X선의 파장
$d$: 결정면 간격
θ: 입사각

즉 이 법칙에 따라 특정 각도에서만 강한 회절 피크가 나타나므로, 회절 패턴을 해석하면 시료의 결정 구조를 추론할 수 있습니다.

※ 이미지 1 (Bragg’s Law)

XRD 분석을 마치면 결과는 스펙트럼(spectrum) 형태로 나타납니다. 이 스펙트럼은 보통 x축은 회절 각도(2θ), y축은 회절 강도(intensity) 로 표현되며, 특정 각도에서 강한 강도가 검출되면 그래프 상에 뾰족하게 솟은 형태가 나타납니다. 이를 피크(Peak) 라고 부릅니다.

1. 회절 각도(2θ, Peak)

회절 각도는 브래그 법칙(Bragg’s Law)의 핵심 변수입니다. 각 피크가 나타나는 위치는 결정면 간격(d-spacing)과 직접적으로 연결되어 있으며, 이를 통해 격자 간격, 결정 구조, 상(phase) 등을 추정할 수 있습니다. 예를 들어, 동일한 물질이라도 결정 구조(예: cubic, hexagonal)에 따라 피크의 위치와 분포가 달라지게 됩니다.

2. 회절 강도(Intensity)

피크의 세기, 즉 회절 강도는 해당 결정면에서 얼마나 많은 X선이 회절되었는지를 보여줍니다. 강도의 차이는 원자 배열, 특정 원소의 존재, 결정의 방향성(Preferred orientation) 등에 영향을 받습니다. 따라서 강도 분석은 단순히 구조 파악을 넘어, 상 비율 추정, 결정 성장 방향, 텍스처(texture) 연구에도 중요한 정보를 제공합니다.

3. Peak 기반의 해석

기본적으로 XRD 분석은 검출된 피크 위치와 시료에 대한 사전 지식을 종합하여 해석합니다.
– 구성 원소 정보: 어떤 원소가 포함되어 있는지 알면 해당 원소가 형성할 수 있는 결정 상 후보군을 좁힐 수 있습니다.
– 결정 상(phase) 정보: 예상되는 상에 따라 데이터베이스(ICDD PDF 등)와 대조하여 일치 여부를 확인합니다.

하지만 여기에는 중요한 제한점이 있습니다. XRD는 “결정 구조가 가진 고유한 회절 패턴” 을 분석하는 기법입니다. 즉, 서로 다른 물질이라도 동일한 결정 구조를 가졌다면 동일한 위치에서 피크가 나타날 수 있습니다. 이 때문에 추가적인 화학 조성 정보를 다른 분석을 통해(EDS 등)와 함께 해석하는 것이 정확성을 높이는 방법입니다.

4. 왜 사전 정보가 중요한가?

XRD만으로는 “이 피크가 정확히 어떤 물질의 것인지” 단정하기 어려운 경우가 많습니다. 따라서 시료에 대한 배경 지식이 많을수록 해석이 유리합니다.

예를 들어:
– 리튬계 배터리 양극 소재를 분석한다고 가정했을 때 구성 물질인 코발트 산화물, 니켈 산화물, 스피넬 구조 물질 등 정보를 위주로 제한된 후보군 안에서 피크를 비교할 수 있어서 효율적이고 정확한 분석이 가능합니다.
– 촉매 샘플의 경우, 지지체(예: Al₂O₃, SiO₂)와 담지된 금속의 피크를 구분해 분석할 수 있습니다.

즉, XRD 데이터 해석은 단순히 스펙트럼만 보는 것이 아니라, 실험 목적·시료 정보·데이터베이스 비교를 종합적으로 고려해야만 의미 있는 결론을 도출할 수 있습니다.