우리 주변에는 다양한 물질이 존재하지만, 이를 구성하는 원소의 종류는 100여 개에 불과합니다. 물질의 다양성은 이들 원소들이 결합하여 화합물을 이루는 과정에서 나타나는 것입니다. 물질 분석은 미지의 시료에 어떤 원소가 어디에 얼마나 존재하며, 각 원소들이 어떤 화학적 결합을 하고 있는지 알아내는 것을 목표로 합니다.

하지만 시료의 불균질성, 표면과 내부의 조성 차이, 위치에 따른 화학결합 양상의 변화 등 여러 가지 어려움이 존재합니다. 이상적인 분석 기술은 시료를 파괴하지 않고 높은 공간 분해능으로 원하는 정보를 얻을 수 있어야 하지만, 아직 이런 궁극의 방법은 존재하지 않습니다.

표면 형상 분석 기술

표면 형상 분석 기술은 시료 표면의 모양을 높은 공간 분해능으로 관찰하는 것에 초점을 맞춥니다. 주사 터널링 현미경(STM)과 주사탐침현미경(SPM)이 대표적인 예입니다.

이들은 탐침과 시료 표면 사이의 다양한 상호작용을 이용하여 표면의 형상을 측정합니다. STM에서는 전자의 밀도가, 원자힘 현미경(AFM)에서는 탐침과 표면 사이에 작용하는 힘이 형상 정보를 제공합니다. 이런 기술들은 표면 민감도와 2차원 공간 분해능이 매우 높아 광학현미경처럼 널리 사용되고 있습니다. 하지만 탐침과의 상호작용만으로는 표면을 구성하는 원소의 종류를 직접 알아내기 어렵다는 한계가 있습니다.

질량분석기

표면 원소 제거 및 질량 분석 기술 두 번째로 소개할 표면 분석 기술은 시료 표면의 원자를 직접 제거한 후 질량분석기로 원소의 종류를 정확히 식별하는 방법입니다. 이차이온 질량분석기(SIMS)가 대표적인 예로, 이온빔이나 레이저빔을 이용하여 표면 원자를 떼어내고 그 질량을 측정합니다. SIMS는 높은 민감도와 공간 분해능을 가지고 있어 반도체의 불순물 검출 등에 활용됩니다. 또한 이온빔으로 표면을 깎아내면서 깊이 방향으로 원소 분포를 분석하는 것도 가능합니다.

하지만 시료가 파괴된다는 점과 정량 분석의 어려움 등이 단점으로 지적됩니다. 최근에는 atom probe tomography(APT)라는 새로운 기술도 주목받고 있습니다. APT는 표면에 강한 전기장을 걸어주고 레이저 펄스를 조사하여 방출되는 원자들을 분석함으로써 3차원 원자 분포 구조를 얻을 수 있습니다.

비파괴 분석법

비파괴 표면 분석 기술 세 번째 표면 분석 기술은 시료에 X-선, 전자빔, 이온빔 등을 입사시킨 후 방출되는 입자들을 분석하는 비파괴 방식입니다. 대표적으로 이온산란분광(ISS), 러더포드 후방산란(RBS), 중에너지이온산란(MEIS) 등이 있습니다.

이들은 입사된 이온이 표면 원자에 의해 산란되는 현상을 이용하는데, 입사 이온의 에너지에 따라 표면 민감도나 깊이 방향 분석 능력이 결정됩니다. 한편 오제전자분광(AES)과 X-선 광전자분광(XPS)은 입사된 전자빔이나 X-선에 의해 방출되는 전자의 에너지 분포를 분석합니다.

AES에서는 방출 전자의 운동에너지가 원자의 에너지 준위 차이에 의해 결정되는 반면, XPS에서는 입사 X-선 에너지와 전자의 결합에너지 차이가 운동에너지가 됩니다. 두 기술 모두 장단점이 있지만, 최근에는 XPS의 활용도가 크게 증가하고 있습니다. 그 이유는 XPS 스펙트럼 해석을 통해 화합물 내 원소 조성비와 화학결합 상태를 비교적 쉽게 분석할 수 있기 때문입니다. 반면 AES는 전자빔을 매우 작게 집속시켜 주사할 수 있어 상대적으로 높은 공간 분해능을 얻을 수 있다는 장점도 있습니다.

지금까지 다양한 표면 분석 기술들을 살펴보았습니다. 각각의 방법은 저마다의 장단점을 가지고 있지만, 시료의 물성과 분석 목적에 따라 적절히 선택되어 활용되고 있습니다. 특히 XPS는 물질의 화학적 조성과 결합 상태를 비파괴적으로 분석할 수 있는 강력한 도구로 자리잡았습니다.

재료과학, 반도체, 촉매, 바이오 등 다양한 분야에서 XPS를 통한 표면 분석이 이뤄지고 있으며, 앞으로도 XPS의 활용도는 더욱 높아질 것으로 기대됩니다. 표면과학 연구의 발전과 더불어 새로운 표면 분석 기술의 등장도 기대해 볼 만합니다. 이러한 분석 기술들의 진보는 우리가 물질을 보다 깊이 이해하고 활용하는데 큰 도움을 줄 것입니다.

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