X-선 회절 실험의 특징 시료에 대한 제한이 적고, 시료를 파괴함이 없이 측정 가능하고 측정시간은 수십 분 정도이다. 시료는 금속, 합금, 무기화합 물, 암석광물, 유기화합물, 폴리머, 생체재료 등 무엇이든 가능하고, 결정질 및 비정질재료 모두 측정 가능하고, 분말 시료든지 판상, 액체, 리본, thin film시편에 대해서도 측정 가능하다.
X-선 회절법의 용도 1. 결정성 분말, 박막시료의 결정구조 분석 및 극점(pole figure) 측정 2. 결정성 화합물의 결정크기, 결합형태, 배향성 분석 3. 결정성 화합물의 온도에 따른 상(phase) 및 구조의 변화 측정 4. 금속, 재료의 잔류응력(residual stress) 측정
X-선 Bragg 법칙
금속은 고체 상태에서 결정구조를 이루고 있으며 가공 및 가열의 처리를 한다고 해도 결정을 이루고 있는 원자의 규칙성은 변하지 않는다. 이러한 원자들에 X-선을 쬐면 X-선과 원자의 궤도전자 사이의 상호작용에 의한 X-선의 산란이 생긴다. 그런데 금속을 구성하는 원자의 배열이 규칙성을 갖기 때문에 산란된 X-선 사이에서 회절현상이 일어난다. 즉 그림과 같이 산란된 X-선중 임사각과 같은 각도로 반사된 방향에 대하여 생각할 때 A열에서 반사된 X-선과 B열에서 반사된 X-선 사이에는 PM1+QM1의 경로차가 생긴다.
이 경로차가 X-선 파장의 정수배가 되면 A열에서 반사된 X-선과 B열에서 반사된 X-선의 위상이 같게 되어(constructive wave를 형성) X-선의 강도는 커지게 된다. 그러기 위한 조건은 X-선의 파장을 λ라고 할 때 다음과 같으며 이를 Bragg의 법칙이라 한다.
2d sinθ=nλ(단 n은 양의 정수)
이 현상은 A열과 B열의 면간거리 d와 X선의 파장 λ가 거의 같은 크기일 때 일어나게 되는데 X-선의 파장은 대략 10-6∼10-10cm정도이기 때문에 금속의 결정구조를 연구하는데 적합하다.
X-선 회절분석의 특징
1. 물질의 정성분석이 가능하다. 물질의 결정구조와 화합 형태가 다르면 회절 패턴의 형태가 변화한다. 따라서 표준물질의 데이터파일과 대조해서(JCPDS card이용) 물질을 구별할 수 있다. 2. 격자상수를 정밀하게 구할 수 있다. 결정의 면각격d(Å) 측정이 가능하고 구조를 미리 알고 있으면 격자 상수를 정밀하게 구할 수있다. 3. 미소결정의 크기를 구할 수 있다. 회절선의 폭을 측정해 평균 입자 크기가 50～200Å인 미소 결정의 크기를 구할 수 있다. 4. 결정성의 좋고 나쁨을 조사할 수 있다. 5. 결정의 배향성을 조사할 수 있다. 6. 결정내부의 변형을 측정할 수 있다. 7. 혼합물과 화합물을 쉽게 구별할 수 있다. 혼합물의 회절패턴은 시료를 구성하고 있는 각 화합물의 회절 패턴을 중첩시킨 것으로 나타난다. 예를들어 BaCO3와 TiO2의 혼합물의 회절 패턴과 그것을 가열해서 얻어지는 BaTiO3의 회절 패턴과는 완전히 달라서, 각 성분을 쉽게 구별할 수 있다. 8. 고용에 의한 격자의 팽창 및 수축 정도를 알아낼 수 있다. 격자상수를 정밀하게 측정함으로써 알아낼 수 있으며, 고온에서 측정하면 열팽창 값을 구할 수있다. 9. 회절선의 강도를 측정해서 각 성분의 정량분석을 할 수 있다. 미량으로 들어 있는 물질의 검출은 곤란하며, 비정질의 경우는 더욱 어렵다. 또 시료가 배향되어 있는 경우에는 오차가 크다. 10. 결정구조 해석이 용이하다.
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