XRF는 X 선을 이용하여 유기물과 무기물 원소에 대한 정성 및 정량분석을 하는데 사용합니다 .
시료를 산화용액으로 처리 ( 전처리 ) 하지 않고서도 비파괴 분석을 할 수 있습니다 .
정말 가장 강력한 기능이죠.
그리고 분석의 꿈 “비파괴🥰” 가 가능한 장비죠.
장비명
XRF(X-ray Fluorescence, X-선 형광분석)
<Rigaku– ZSX Primus II>
XRD 대표 분석물질
원소 B( 원자번호 : 5) 에서 U( 원자번호 : 92) 까지의 전 원소를 미량까지 분석
*단, Carbon은 선택적으로 장비의 상태나 기호에 따라 선택 가능하다.
분석 할수 있는 것들
- 금속 및 합금: XRF는 다양한 금속 및 합금의 성분 분석에 매우 유용합니다. 예를 들어, 철강, 알루미늄, 구리, 니켈 등의 금속 및 합금 시료에서 주요 성분 및 불순물의 함량을 분석할 수 있습니다.
- 광물 및 광석: 광물학적 연구에서 XRF는 다양한 광물 및 광석 시료의 화학 조성을 분석하는 데 사용됩니다. 금속 광물(금, 은 등)이나 비금속 광물(갈륨, 인등)의 성분을 분석하는 데 활용됩니다.
- 환경 시료: 토양, 물, 대기 등 환경 시료에서 오염물질의 측정 및 분석에 XRF가 사용됩니다. 예를 들어, 토양 또는 물 시료에서 중금속 또는 독성 물질의 함량을 확인할 수 있습니다.
- 문화재 및 유물 연구: 문화재 보존 분야에서는 XRF가 화가된 유물, 도자기, 금속 조각 등의 화학적 조성을 분석하는 데 사용됩니다.
- 석유 및 화학물질: 석유 산업이나 화학 산업에서 XRF는 원유 및 화학물질의 구성을 분석하고 추적하는 데 활용됩니다.
단위검출한계
ppm ~ 100 mass%, 원소별로 검출한계가 다름
시편규격
<샘플 holder와 측정 영역>
<실제 holder의 모습>
위에 그림과 같이 동그란 홀더에 Hole의 규격이 있다.
여러가지 규격이 있지만 10mm 가 최소 규격이므로
시편의 사이즈는 10mm이상이 필요하다.
그러나 우리의 분석 환경은 그렇게 녹록치 않다. 😞
그럴 경우 아래 규격에 미달하는 경우가 발생하는데 만약 벌크 규격에 미달될 경우
두 가지 선택지가 주어진다.
| 선택지 | 내용 |
| 1 | 노이즈를 감안하고 제일 작은 holder로 측정한다. |
| 2 | 분쇄하여 powder 형태로 넓게 퍼트려 분석한다. |
선택은 언제나 의뢰자의 몫이다.😉
아래 시편크기를 참조한다면 하고 싶은 이야기는 하나이다.
| 장비(기관) | 시편크기 | 유의사항 |
| Rigaku– ZSX Primus II (카이스트) | 시료 측정 영역 – 10, 20, 30, 35mm 액체, 고체, 분말(최소 12mm 이상의 Size) -> 최소 10mm는 넘게 해달라👍 | C 측정 불가. – C가 분석은 가능하지만 신용하기 어려운 수준으로 분석 을 적용하지 않는다. |
| Rigaku– ZSX Primus (아주대) | . 벌크 등 : 1cm x 1cm ~ 3cm x 3cm, 총 높이 5cm 미만 -. 파우더 : g 이상 (밀도에 따라 일부 차이가 있음) -. 액상 : 최소 500ul -> 최소 10mm는 넘게 해달라👍 | – 정성, 반정량 분석 가능 (정량 분석 불가) – 액상 샘플은 측정 전 사전 문의 – C 측정 시 사전 문의1 – N, O 측정 불가 |
“10mm는 넘자🙆♂️”
결과해석
결과는 매우 단순하다.
Result 부분에 결과 수치가 기록되고 unit은 mass%2로 표시된다.
Det.limit 은 검출 한계로 원소마다 다릅니다. 이에 근접하다면 오차로 볼 수도 있어요.
여기서 중요한건 XRF는 정량 장비가 아니라는 겁니다.
정성(성분을 알아내는 것)은 강력합니다.
하지만 그 정량(얼마나 들어있는지는 알아내는 것)은 사실상 불가능하죠.
왜냐하면 % 단위 자체가 ratio(비율)이기 때문입니다.
장비이론
우선 XRF 의 소스와 산출물에 대해서 다뤄보고자 한다.
우선 소스는 X선이다. 이 X선은 강력한 에너지를 가진 파장이다.
EDS에 전자빔에 비해 강력한 특정 파장을 보인다. 이것이 XRF에 성능과 특징을 결정한다.
이렇게 발생한 X선이 물질과 충돌하면 내부의 전자가 이를 흡수하고 승천(?), 튕겨져 나간다는
표현이 맞는거 같네요. 그러면 그 빈자리를 채우려고 다른 준위에 있는 전자들이 이동하는데
이때 꽁자로 이동할수가 없습니다. 바로 그에 준하는 에너지를 반납하고 가야하죠.
바로 이때 방출되는 에너지가 x선 형광 발광이다.(그림에 k알파 등등이다.)
그리고 XRF 장비는 대략 두 종류로 나눠집니다.
| 구분 | WD-XRF👍 | ED-XRF |
| 이름 | Well-Depth X-ray Fluorescence) | Energy-Dispersive X-ray Fluorescence |
| 특징 | 깊이 분해형 XRF로, 샘플 표면에 대한 분석을 초과하여 물질 내부로 깊이 들어가는 능력을 가지고 있습니다. | 에너지 분산형 XRF로, 샘플 표면에서 발생하는 X-선의 에너지 분포를 분석하여 원소의 함량을 결정 |
두 장비의 특징이 있지만 누가봐도 WD-XRF를 사고 싶어집니다.😘
왜냐면 박막이라든지 깊이 방향에 대한 원소 분석이 탐나잖아요.
그리고 왠지 ED 기능은 그냥 탑제하고 있을거 같은 느낌이잖아요.
역시나 그 느낌이 언제나 맞습니다.
WD-XRF의 깊이에 대한 고찰
샘플표면부터 내부까지 볼수 있는 WD-XRF의 깊이에 대한 스펙은 어떻게 될까?
결론적으로 “수 µm ~ 수 mm까지 다양하다.” 이다.
“이런 모호한 답이 어디있나요!”😠
이유를 설명하자면 샘플의 특성 및 내부 layer 층의 형태나 균일도에 따라
영향을 받기 때문에 상대적이다.
<EDS 와 XRF의 깊이 모식도>
에너지 출려이 높은 X-ray에 앞승이다.
에너지의 출력에 따라 달라지겠지만
대략적으로 EDS는 1µm 내 , XRF는 2µm 이상으로 알려져있다.
만약 layer가 균일하고 사전실험을 통해서 박막의 두께에 맞는
X-RAY 출력을 안다면 2µm이상의 박막도 측정이 가능하다.