용어 목록 > X선 회절 (X-ray Diffraction)

X선 회절 (X-ray Diffraction)

화학
한 줄 정의: 결정에 X선을 쬐어 나타나는 회절 무늬를 분석함으로써 물질 내 원자의 규칙적인 배열 구조를 알아내는 분석 기법입니다.

쉽게 풀면

촘촘하고 규칙적인 무늬의 레이스 커튼 뒤로 빛을 비추면, 빛이 커튼의 격자 무늬에 부딪히면서 특정 방향으로만 밝은 무늬가 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 결정(고체 안에서 원자가 아주 규칙적으로 배열된 물질)에 X선을 쏘았을 때도 비슷한 일이 일어납니다.

X선은 원자마다 부딪혀 사방으로 흩어지는데, 원자들이 규칙적인 간격으로 줄지어 있으면 특정 각도에서 산란된 X선끼리 서로 보강되어 강한 신호(회절 피크)가 나타나고, 그 외의 각도에서는 서로 상쇄되어 신호가 거의 없습니다.

이 회절 피크가 나타나는 각도와 세기를 분석하면, 눈으로 볼 수 없는 원자들의 배열 간격과 구조를 역으로 계산해낼 수 있습니다.

왜 중요한가

X선 회절은 물질의 원자 배열을 직접 볼 수 없는 상황에서도 그 구조를 정량적으로 규명할 수 있는 거의 유일한 방법이어서, 신물질의 결정 구조를 처음 보고하는 논문에서 가장 기본이 되는 근거 자료로 쓰입니다. 무기화학의 새로운 화합물 합성부터 광물학의 광물 동정, 단백질의 3차원 구조 규명에 이르기까지 폭넓은 분야에서 구조 결정의 표준 도구로 자리 잡고 있습니다.

어떤 절차인가

결정에서 규칙적으로 늘어선 원자 면이 X선을 산란시키면, 특정 각도에서만 산란파가 서로 보강되어 강한 회절 피크가 나타납니다. 조건은 브래그 법칙 nλ = 2d sinθ (λ X선 파장, d 원자 면 간격, θ 입사각)로 표현됩니다(브래그 법칙; Bragg & Bragg, 1913). 흐름은 다음과 같습니다.

  1. 시료 준비: 분말 시료는 곱게 갈아 평평하게 채워 무작위 방향의 결정들이 놓이게 합니다(분말 XRD). 단결정은 한 알을 고정해 여러 방향에서 측정합니다(단결정 XRD).
  2. 측정: 구리 Kα선(λ = 0.15406 nm)을 흔히 쓰며, 검출기를 2θ 각도로 훑어 가며 세기를 기록합니다. 스캔 범위, 단계 크기, 시간이 조건입니다.
  3. 분석: 피크 위치(d 값)로 어떤 결정상인지 표준 데이터베이스(ICDD PDF 등)와 비교해 동정하고, 피크 모양으로 결정립 크기·응력을, 전 패턴 피팅(리트벨트 정련)으로 격자 상수와 상 분율을 구합니다.

언제 쓰고 무엇을 얻나

시료가 어떤 결정 구조인지, 어떤 상들이 섞여 있는지, 합성이 끝났는지를 확인하는 가장 기본적인 분석입니다. 고체 합성의 최종 확인(고체상 합성법), 광물·세라믹·금속·의약품의 다형 구분, 박막과 나노재료의 결정성 평가에 쓰입니다. 비결정질(유리, 많은 고분자)은 날카로운 피크 대신 넓은 혹을 보입니다.

가상의 계산. Cu Kα선(λ = 0.15406 nm)으로 금 분말을 측정해 2θ = 38.2°에 피크가 나왔다면 θ = 19.1°이므로

d = λ / (2 sinθ) = 0.15406 / (2 × sin 19.1°) = 0.2354 nm

이 피크를 (111) 면으로 지수화하면 면심 입방 격자 상수는 a = d√3 = 0.4077 nm입니다(금의 알려진 값 약 0.408 nm와 일치).

피크의 반치폭(FWHM)이 β = 0.50° = 0.008727 rad로 측정되었다면 셰러(Scherrer) 식으로 결정립 크기 τ를 어림할 수 있습니다.

τ = Kλ / (β cosθ) = (0.9 × 0.15406) / (0.008727 × cos 19.1°) ≈ 16.8 nm

(K는 모양 인자로 약 0.9. 장비에 의한 피크 퍼짐과 응력으로 인한 퍼짐을 보정하지 않은 값이라 실제 결정립 크기보다 작은 하한에 가까우며, 대략 100~200 nm보다 큰 결정립에서는 쓸 수 없습니다. Patterson, 1939 참조.)

논문에는 이렇게 적는다

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

국내 학술지 논문에서 이 용어가 쓰인 문장을 그대로 옮겼습니다. 제목·학술지·연도와 원문 링크를 함께 적었습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

"합성된 시료의 X선 회절 패턴에서 2θ = 26.5°에서 강한 회절 피크가 관찰되어, 시료가 높은 결정성을 갖는 것으로 확인되었다."

이 문장은 특정 각도에서 뚜렷한 회절 신호가 나타났다는 것으로, 시료 내부의 원자들이 무질서하지 않고 규칙적으로 배열된 결정 구조를 이루고 있음을 확인했다는 뜻입니다.

"단결정 X선 회절 실험을 통해 얻어진 전자밀도 지도로부터 리간드의 배위 결합 각도를 정밀하게 결정하였다."

이 문장은 무기화학 논문에서 단일 결정을 이용한 정밀 회절 실험으로 금속 착물 내 원자들의 정확한 배치와 결합 각도를 계산해냈다는 것을 보여줍니다.

"단백질 결정의 X선 회절 데이터를 2.1Å 분해능까지 수집하여 활성 부위 주변의 구조를 규명하였다."

이 문장은 구조생물학 연구에서 단백질을 결정화한 뒤 회절 데이터를 얻어, 효소의 작용 부위가 원자 수준에서 어떤 형태를 이루는지 밝혀냈다는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

논문을 좀 더 깊이 읽으려면 회절 무늬가 만들어지는 조건을 설명하는 브래그 법칙(원자 면 사이 간격, X선 파장, 회절 각도 사이의 관계식)을 함께 알아두면 도움이 됩니다.

분말 시료를 쓰는 분말 X선 회절과 단일 결정을 쓰는 단결정 X선 회절은 얻을 수 있는 정보의 정밀도가 다른데, 단결정 회절은 원자 하나하나의 위치까지 정밀하게 결정할 수 있는 반면 분말 회절은 상 동정이나 결정성 평가에 더 적합합니다.

또한 회절 데이터의 정밀도를 나타내는 분해능(resolution) 값이 작을수록 더 세밀한 구조 정보를 얻을 수 있다는 점도 함께 알아두면 좋습니다.

주의할 점

X선 회절은 원자들이 공간적으로 "어떻게 배열되어 있는지"를 알려주는 기법이지, 원자 사이에 어떤 종류의 화학결합(예: 공유결합인지 이온결합인지)이 있는지를 직접 말해주지는 않습니다. 결합의 성격을 알아보려면 분광법 등 다른 분석 기법을 함께 사용해야 하는 경우가 많습니다.

헷갈리기 쉬운 용어

용어무엇인가XRD와의 관계
브래그 법칙회절 조건식XRD 해석의 기본 식입니다.
분말 XRD·단결정 XRD시료 형태에 따른 방식분말은 상 동정과 결정성, 단결정은 원자 위치까지 구합니다.
리트벨트 정련전체 패턴을 모델에 맞추는 분석XRD 자료를 정량적으로 해석하는 방법입니다.
단위 격자·밀러 지수결정의 반복 단위와 면의 표기피크를 어느 면에서 나온 것인지 지수로 표시합니다.
분광법빛과 물질의 에너지 교환을 분석결합의 종류나 성분을 알려 주지만, 원자 배열은 XRD가 알려 줍니다.

참고 문헌

  1. Bragg, W. H., & Bragg, W. L. (1913). The reflection of X-rays by crystals. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 88(605), 428–438.
  2. Patterson, A. L. (1939). The Scherrer formula for X-ray particle size determination. Physical Review, 56(10), 978–982.
  3. Cullity, B. D., & Stock, S. R. (2001). Elements of X-ray Diffraction (3rd ed.). Prentice Hall.
  4. Pecharsky, V. K., & Zavalij, P. Y. (2009). Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials (2nd ed.). Springer.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.

개념 계통

하위 개념
단결정 X선 회절 분석분말 X선 회절 분석

분야 전체 개념 지도 보기 →

관련 용어

질량분석법 크로마토그래피 산화환원반응 용해도 분광법 몰농도 산염기