광전효과의 발견과 XPS의 시초
1897년, 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 전압이 걸린 전극에 자외선을 비추면 스파크가 발생하는 현상을 발견하였다. 이 현상은 광전효과(photoelectric effect)로 알려지게 되었다. 고전 물리학의 관점에서 보면, 전자기파인 자외선의 에너지가 물질 내부의 전자에 전달되어 전자가 튀어나오는 것은 이상한 일이 아니었다.
그러나 이후 레나르트 등의 연구에 따르면, 광전효과는 특정 cutoff 파장보다 짧은 파장의 빛을 비출 때만 일어나고, 그보다 긴 파장에서는 아무리 강한 빛을 비춰도 효과가 나타나지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 이는 당시의 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 현상이었다. 이 발견은 후에 XPS 기술의 시초가 되었다.
1897년 헤르츠가 광전효과를 발견함.
광전효과는 특정 파장 이하의 빛에서만 일어나는 현상임.
고전 물리학으로는 광전효과를 설명할 수 없었음.
양자역학의 발전과 광전효과의 설명
광전효과를 설명하기 위해서는 빛과 물질의 상호작용에 대한 새로운 이해가 필요했다. 1900년, 막스 플랑크는 빛의 에너지가 연속적이지 않고 불연속적인 양자(quantum)로 이루어져 있다는 가설을 제안했다. 1905년, 알버트 아인슈타인은 빛의 입자성을 주장하는 광양자설을 발표했다.
이에 따르면, 빛의 에너지는 특정한 값을 가지는 광양자(photon)의 형태로 존재하며, 광전효과는 광양자의 에너지가 전자를 방출시키는데 충분할 때만 일어난다는 것이다. 이는 기존의 파동설로는 설명할 수 없었던 광전효과의 특성을 잘 설명할 수 있었다. 광량자설은 현대 양자역학의 기반이 되었고, 이를 통해 XPS의 이론적 토대가 마련되었다.
플랑크의 양자 가설과 아인슈타인의 광양자설로 광전효과를 설명할 수 있게 됨.
빛을 입자로 취급하면 광전효과의 특성을 잘 설명할 수 있음.
광량자설은 양자역학의 기반이 되었고, XPS의 이론적 토대가 됨.
카이 지그빈의 XPS 연구와 발전
양자역학의 발전과 함께 원자 및 물질에 대한 이해가 깊어지면서, XPS를 물질 분석에 활용할 수 있는 가능성이 열리게 되었다. 스웨덴 웁살라 대학의 카이 지그빈은 핵물리학 연구를 하던 중, 방출되는 전자의 운동에너지를 정밀하게 측정하기 위해 고분해능 전자 에너지 분석기를 개발하는 데 성공했다.
1954년, 그는 알루미늄에서 방출되는 X-선을 NaCl 결정 표면에 조사하여 튀어나오는 전자의 스펙트럼을 측정하였다. 이를 통해 스펙트럼으로부터 물질에 포함된 원소의 종류뿐만 아니라 화학결합 상태까지 분석할 수 있음을 발견하였다. 이는 XPS가 물질의 화학적 조성과 결합 상태를 규명하는 데 강력한 도구가 될 수 있음을 시사하였다.
카이 지그빈은 고분해능 전자 에너지 분석기를 개발함.
NaCl에 X-선을 조사하여 얻은 스펙트럼으로부터 물질의 원소와 화학결합 상태를 분석할 수 있음을 발견함.
XPS가 물질 분석의 강력한 도구가 될 수 있음을 보여줌.
XPS의 상용화와 응용
지그반 그룹은 1967년, XPS를 이용하여 다양한 유기물과 무기물을 분석한 결과를 발표하였다. 이는 XPS가 실제 물질 분석에 활용될 수 있음을 보여주는 중요한 성과였다. 1969년에는 미국에서 최초의 상용 XPS 장비가 출시되었다. XPS는 금속, 합금, 반도체, 유리, 고분자, 유기물, 세라믹 등 거의 모든 종류의 물질에 적용할 수 있는 만능 분석 기술로 자리잡았다.
수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 ppm 수준의 낮은 농도에서도 검출할 수 있어, 미량 성분 분석에도 유용하게 활용되었다. XPS로 얻은 스펙트럼의 결합에너지로부터 시료에 포함된 원소의 종류, 농도, 화학식, 화학상태 등 다양한 정보를 얻을 수 있기 때문에, 재료 연구 및 개발에 필수적인 분석 도구로 인정받게 되었다.
1967년 지그반 그룹은 XPS를 이용한 물질 분석 결과를 발표함.
1969년 최초의 상용 XPS 장비가 출시됨.
XPS는 대부분의 물질에 적용 가능한 만능 분석 기술로 자리잡음.
XPS 스펙트럼으로부터 물질의 조성과 화학적 상태에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있음.
XPS 장비의 발전과 특수 기술
1970년대 이후, XPS 장비는 컴퓨터와 전자 기술의 발전에 힘입어 놀라운 발전을 이루었다. 분석 성능과 사용 편의성이 크게 향상되었고, 다양한 특수 기술들이 개발되었다. 대표적인 예로 깊이방향 분석과 XPS 이미징을 들 수 있다. 깊이방향 분석은 이온빔으로 시료 표면을 식각하면서 XPS 스펙트럼을 얻는 방식으로, 시료 내부의 화학 조성 변화를 깊이에 따라 분석할 수 있게 해준다.
XPS 이미징은 시료 표면의 화학 조성을 2차원 면적에 대해 맵핑할 수 있는 기술로, 재료의 불균일성을 시각적으로 분석하는 데 유용하다. 한편, 전하보상 기술의 개발로 부도체 시료에 대해서도 정량 분석이 가능해졌다. 이러한 기술들은 현재 대부분의 상용 XPS 장비에 기본적으로 탑재되어 연구자들이 손쉽게 활용할 수 있게 되었다.
1970년대 이후 XPS 장비는 컴퓨터, 전자기술과 함께 빠르게 발전함.
깊이방향 분석, XPS 이미징 등 특수 분석 기술이 개발되어 활용되고 있음.
전하보상 기술로 부도체 시료에 대한 정량 분석이 가능해짐.
다양한 기술들이 상용 장비에 탑재되어 연구자들이 손쉽게 사용할 수 있게 됨.
최신 XPS 기술의 발전 동향
XPS 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 최근에는 기존 XPS의 한계를 극복하기 위한 새로운 기술들이 개발되고 있다. HAXPES(Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy)는 고에너지 X-선을 사용하여 시료 내부 깊은 곳에서 방출되는 전자를 검출함으로써, 벌크 물질의 분석 민감도를 높이는 기술이다. NAP-XPS(Near Ambient Pressure XPS)는 기존의 초고진공 환경이 아닌 대기압 또는 유사한 조건에서 XPS 분석을 수행할 수 있게 해준다. 이는 기존에는 불가능했던 액체, 고분자, 생체 시료 등의 분석을 가능케 한다. 이러한 기술들은 초기에는 방사광 가속기를 이용한 연구에서 개발되었으나, 최근에는 실험실 규모의 상용 장비로도 구현되고 있다. 앞으로도 XPS 기술은 다양한 분야의 요구에 부응하여 지속적으로 발전해 나갈 것으로 기대된다.
XPS 기술은 지속적으로 발전하고 있음.
HAXPES는 벌크 물질의 분석 민감도를 높이는 기술임.
NAP-XPS는 대기압 조건에서의 XPS 분석을 가능케 함.
방사광 가속기뿐만 아니라 상용 장비에서도 새로운 기술이 구현되고 있음.
XPS 기술은 앞으로도 다양한 분야의 요구에 부응하여 발전해 나갈 것임.
함께보면 좋을 글
- 저각 입사 XRD와 일반 XRD의 차이점XRD(엑스선 회절)는 물질의 결정 구조를 분석하는 데 사용되는 비파괴적 기법입니다. 저각 입사 XRD(Grazing Incidence XRD, GIXRD)와 일반 XRD는 기본 원리는 동일하지만, 분석 목적과 방법에서 차이가 있습니다. 아래는 두 기법의 주요 …
- 저각 입사 XRD(Grazing Incidence X-Ray Diffraction, GIXRD)의 이해하기c 1. 저각 입사 XRD의 주요 역할 2. 저각 입사 XRD의 작동 원리 3. 저각 입사 XRD의 응용 분야 4. 저각 입사 XRD의 한계 저각 입사 XRD는 박막 및 표면층의 …
- XRD 분석을 통한 Thin Film 분석 방법X선 회절(XRD, X-ray Diffraction)은 박막(thin film)의 결정 구조, 배향성, 두께, 조성 등을 분석하는 데 널리 사용되는 비파괴적 실험 기법입니다. 박막 분석에서는 일반적인 분말 시료 분석과는 다른 특수한 기법과 설정이 요구됩니다. …
- 양자 컴퓨터 개발 방식 알아보기양자 컴퓨터의 4가지 주요 개발 방식에 대해 더욱 상세하고 이해하기 쉽게 설명해 드리겠습니다. 초전도 회로 방식 초전도 회로 방식은 현재 가장 널리 사용되는 양자 컴퓨터 개발 방법입니다. 이 방식의 핵심은 …
- 4차원 주사투과전자현미경 (4D-STEM)을 이용한 나노소재 구조연구4차원 주사투과전자현미경(4D-STEM)은 최첨단 전자 현미경 기술로, 재료 과학 분야에서 나노소재의 구조를 연구하는 데 중요한 역할을 합니다. Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 강상준 박사는 이 기술을 활용하여 복잡한 나노소재의 구조를 분석하고 있습니다. …
- 바이오 의약품 정제공정: 쉽게 이해하기안녕하세요, 과학 블로그 독자 여러분! 오늘은 바이오 의약품이 어떻게 정제되는지에 대해 자세히 알아보겠습니다. 바이오 의약품은 질병을 치료하는 데 중요한 역할을 하는 약물인데요, 이를 만들기 위해서는 여러 복잡한 공정을 거쳐야 합니다. …
- 올리고뉴클레오티드와 핵산 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스올리고뉴클레오티드와 핵산 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스에 대해 더 자세히 알아보겠습니다. ATT (6-aza-2-thiothymine) 3-HPA (3-hydroxypicolinic acid) THAP (2,4,6-trihydroxyacetophenone) HPA-pyrazinecarboxylic acid 공-매트릭스 올리고뉴클레오티드와 핵산 분석 시, ATT, 3-HPA, THAP 등의 매트릭스가 주로 …
- 지질 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스지질 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스에 대해 더 자세히 알아보겠습니다. 2,5-DHB (2,5-dihydroxybenzoic acid) 9-AA (9-aminoacridine) DAN (1,5-diaminonaphthalene) PNA (para-nitroaniline) 지질은 일반적으로 양이온 모드와 음이온 모드에서 모두 분석 가능합니다. 양이온 모드에서는 주로 …
- 단백질과 펩타이드 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스단백질과 펩타이드 분석을 위한 MALDI-MS 매트릭스에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. CHCA (α-cyano-4-hydroxycinnamic acid) SA (sinapinic acid) 2,5-DHB (2,5-dihydroxybenzoic acid) 단백질과 펩타이드 분석 시, 분자량 범위에 따라 적합한 매트릭스를 선택하는 …
- MALDI MS에서의 다양한 매트릭스 알아보기 (단백질, 지질, 핵산, 합성고분자)오늘은 MALDI-MS에서 사용되는 다양한 매트릭스에 대해 알아보겠습니다. MALDI-MS는 단백질, 펩타이드, 지질, 올리고당, 탄수화물, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 합성 고분자 등 다양한 생체분자를 분석하는데 활용됩니다. 분석하고자 하는 대상에 따른 매트릭스 선택 먼저, 단백질과 …
- 흡광도, 휘발성, 용해도, 반응성 : MALDI 매트릭스의 4가지 필수 요건MALDI-MS에서 매트릭스의 선택은 분석의 성패를 좌우하는 중요한 요소입니다. 좋은 MALDI 매트릭스가 되기 위해서는 흡광도, 휘발성, 용해도, 반응성이라는 4가지 조건을 충족해야 하는데요, 하나씩 자세히 살펴보겠습니다. 흡광도 휘발성 용해도 반응성 이렇듯 MALDI …
- MALDI 질량분석법, ‘이온화지역내 분해(In-source decay, ISD)’, ‘이온화지역 이후 분해(Post-source decay, PSD)’오늘은 MALDI 질량분석법에서 나타나는 두 가지 흥미로운 이온 분해 현상인 ‘이온화지역내 분해(In-source decay, ISD)’와 ‘이온화지역 이후 분해(Post-source decay, PSD)’에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. MALDI와 이온 분해 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) MALDI와 …
- MALDI-MS 에서의 MS/MSMALDI 비행시간차 질량 분석기에서 활용되는 탠덤 질량 분석법으로는 크게 ‘이온화지역 이후 분해’(Post-source decay, PSD)와 ‘이온화지역내 분해’(In-source decay, ISD), TOF/TOF 분석법이 있다. MALDI 비행시간차 질량 분석기에서 구조분석을 위해 탠덤 질 량 …
- XPS 표면 분석의 기본 분석법, 응용 가능성안녕하세요, 여러분! 오늘은 제가 평소에 관심있게 공부하고 있는 물질 표면 분석 기술 중 하나인 XPS에 대해 소개해 드리려고 합니다. 제 블로그를 찾아주신 여러분께 XPS의 기본 원리와 응용 분야를 알기 쉽게 …
- XPS의 역사적 배경광전효과의 발견과 XPS의 시초 1897년, 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 전압이 걸린 전극에 자외선을 비추면 스파크가 발생하는 현상을 발견하였다. 이 현상은 광전효과(photoelectric effect)로 알려지게 되었다. 고전 물리학의 관점에서 보면, 전자기파인 자외선의 …
- 표면 분석 기술과 X-선 광전자 분광법(XPS)의 이해우리 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 …
- 튕김 비행시간차 질량 분석기의 질량분해능 (TOF MS) 원리비행시간차 질량 분석기(TOF MS)는 이온의 비행시간 차이를 이용하여 질량을 분석하는 장비로, 시간-지연 포커싱과 튕김 방식을 통해 질량분해능을 향상시킬 수 있습니다. 시간-지연 포커싱은 초기 운동에너지 분포의 영향을 최소화하기 위해 이온화 영역을 제한하고 이온 패킷들을 시간차를 두고 가속하는 반면, 튕김 방식은 정전기 이온 미러를 이용하여 초기 이온 속도 분포로 인한 비행시간 차이를 상쇄합니다
- 비행시간차 질량 분석기(TOF MS)의 기본 원리이처럼 TOF MS는 이온의 질량에 따른 비행시간 차이를 이용하여 질량 분석을 수행하는 장비입니다. 비행시간은 이온의 질량의 제곱근에 비례하므로, 질량이 큰 이온일수록 검출기에 늦게 도달하게 됩니다
- MALDI-MS의 핵심, 비행시간 질량분석기의 발전 과정첫째는 직교 가속(Orthogonal Acceleration, OA) 방식으로, 이온의 비행 방향과 수직으로 가속전기장을 걸어 초기속도 분포를 최소화했죠. 둘째는 시간 지연 포커싱(Time-lag Focusing)으로, 이온 생성 시간과 가속 시간 간격을 최적화해 속도 분포를 줄였습니다.
- 대기압 MALDI의 발전과 하이브리드 이온화 기술 – 새로운 가능성을 열다오늘은 질량분석 기술 중에서도 최근 큰 주목을 받고 있는 대기압 MALDI(Atmospheric Pressure Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization, AP-MALDI)와 이를 응용한 하이브리드 이온화 기술에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 먼저 MALDI에 대해 간단히 복습하고 …
- 대기압 MALDI (Atmospheric Pressure MALDI, AP-MALDI) 분석법 알아보기기 중에서 MALDI 플레이트에 레이저를 쏘면 생성된 이온들을 ESI와 결합되는 이온트랩 등의 질량분석기로 도입할 수 있게 되는 거죠. 이를 통해 시료를 원래의 상태로 유지하면서 실시간 분석이 가능
- MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)라는 질량분석법MALDI 질량분석법은 큰 생체분자 분석에 유리합니다. 매트릭스와 물질을 혼합해 결정화시키고, UV 레이저로 이온화를 유발하여 최종적으로 이온들을 분리하고 검출합니다. 정확한 메커니즘이 아직 확립되지 않아 연구가 진행 중이지만, 생체분자 연구에는 필수적인 기술로, 활용도가 높을 것으로 기대됩니다.
- 대기압 MALDI 이온화법: 혁신적인 질량 분석 기술의 발전오늘은 대기압 MALDI 이온화법에 대해 알아보려고 합니다. 이 방법은 최근 질량 분석 분야에서 혁신적인 발전을 이루고 있는 기술입니다. 대기압 MALDI 이온화법 개요 대기압 MALDI 이온화법은 MALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) 기술의 한 …
- MALDI 질량분석, 레이저 펄스의 시간에 따른 효과레이저 펄스의 시간폭에 따른 효과에 대한 연구가 널리 진행되었습니다. 피코 초(~수 ps) 혹은 펨토초(~100 fs) 펄스폭을 가지는 레이저를 이용한 MALDI 이온화는 나노초 레이저(~수 ns)보다 분석 분자의 깨어짐이 적다는 연구 결과가 …
- MALDI 레이저와 UV 레이저MALDI 레이저는 강한 레이저 펄스를 사용하여 시료 결정에 흡수단인 매트릭스 분자에 에너지를 전달함으로써 MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization) 과정을 유발하는 역할을 합니다. 이를 위해 일반적으로 UV 레이저를 사용하는데, 매트릭스의 UV 흡수 …
- UV MALDI와 SALDI란? – 과학의 눈으로 작은 세계를 탐험하다분석과학의 발전은 우리가 눈으로 볼 수 없는 세계를 탐험할 수 있게 해줍니다. 이 중 UV MALDI와 SALDI는 과학자들이 아주 작은 입자들을 연구하는 데 사용하는 매우 유용한 방법들입니다. 이 두 기술은 …
- UV MALDI 이온화의 기본 – ‘고체 용액 형성’ 단계를 쉽게 이해하기 I안녕하세요, 이전 포스팅에서는 질량분석기의 기본에 대해서 알아보았고, 오늘은 유기 매트릭스(주1)를 사용하는 UV MALDI 이온화(주2)에 대해 알아보도록 하겠습니다. UV MALDI 이온화란 무엇인가? UV MALDI 이온화는 아직까지 완벽하게 이해되지 않은 과학적 주제 …
- 질량 분석법의 원리 기술 그리고 활용질량 분석법은 이온화법을 통해 이온을 생성하고 분석하여 분자의 정확한 분자량을 측정하고 구조를 분석하는 기기분석법입니다. 이온화법의 발전은 질량 분석법의 중요한 요소로, MALDI의 개발로 거대 분자도 분석 가능하게 되어 고분자, 의약, 생명과학 …