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실험방법별 구분

이미지설명

엑스선 산란은 가장 주요한 엑스선 분석기법 중 하나로, 주기적으로 배열된 원자나 분자 구조에 대한 상세한 정보를 제공한다. 고휘도 방사광 활용으로 엑스선 산란 기법을 통한 분자 배열과 물질의 구조적 특성을 더욱 정밀하게 분석할 수 있다. 연구 목적에 맞게 다음과 같은 주요 기법의 활용이 가능하며, 최근엔 물질의 구조 변화 과정을 실시간으로 관찰하고 분석 가능한 실시간 분석 기법이 활발하게 이루어지고 있다.

1. 분말 회절 (Powder Diffraction): 결정성 분말의 구조 분석
2. 결정 절단면 산란 (Crystal Truncation Rod Scattering, CTR): 결정 표면 구조 분석
3. 표면 회절 (Surface Diffraction): 결정성 박막의 구조 분석
4. 변칙 산란 (Anomalous Scattering): 물질 내 특정 원자 분석
5. 엑스선 반사율 (X-ray Reflectivity, XRR): 다층 박막 두께, 밀도, 표면 거칠기 분석

이미지설명

엑스선 흡수분광법은 물질의 상태(고체,액체,기제)에 상관없이 화학적 상태와 전자구조, 원자주변의 기하학적인 국부구조 및 대칭성 등을 분석할 수 있다. 결정성을 가진 시료 뿐만이 아니라 비정질 시료와 물질에 흡착된 원자주변의 구조나 부분적으로 치환된 원자주변의 국부구조를 규칙적인 원자배열 여부에 관계없이 다양한 구조적 정보를 얻어낼 수 있다. 원자 선택적이며 다른 분석법에 비해 적은 양과 낮은 농도의 시료도 분석이 가능하다는 장점이 있다. 엑스선 흡수분광법은 물질의 상태에 따른 제한이 없으므로 각종 화학반응, 촉매 및 이차전지와 같은 에너지 소재, 반도체 소재, 환경 및 바이오 소재 등 다양한 분야에서 소재의 구조 분석에 이용되고 있으며, 최근 실시간 모드 (on-the-fly mode) 적용으로 다양한 반응에서 분단위의 실시간 구조 분석이 이루어지고 있다

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소각 엑스선 산란은 분자/나노 구조 폴리머, 고분자 블렌드, 고분자 공중합체, 나노 복합체, 무기물, 비결정성 재료, 생리학적 환경에 놓여 있는 생물학적 고분자 (단백질, DNA, RNA) 구조를 분석/해석이 가능하다.
실험장치기법은 WAXD, GIWAXD, SAXS, GISAXS으로 구분되며, 주용 광학 장치로는 진공 언듈레이터 (In-vacuum undulator; IVU), 이중결정분광기 (double crystal monochromator; DCM), 집속 거울 (focusing mirror; FM), 그리고 Rayonix 2D CCD 검출기 및 Eiger X4M (detector)가 있으며, 실험 가능 영역 (camera length)은 0.2 m에서 7.0 m까지 실험장치 정렬이 가능하다.

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우리 주변에서 쉽게 관찰할 수 있는 다양한 현상들은 고체의 표면과 관련이 있다. 산화 과정, 촉매 반응, 열전자 방출, 반도체-금속 계면에서의 Schottky 장벽 형성, 박막의 결정 성장 등은 모두 표면과 여러 형태로 연결되어 있다. 이러한 현상들은 고체 내부의 특성과는 다른 고체 표면의 물리적, 화학적 특성과 밀접하게 연관되어 있어, 아인슈타인의 광전 효과를 활용하면 고체 표면을 분석하여 다양한 흥미로운 표면 현상을 탐구할 수 있게 된다. 특히, 고해상도 에너지와 밝은 빛을 제공하는 방사광을 활용하면 전자 구조를 높은 에너지 해상도로 분석할 수 있는 장점이 있다. 현재, 광전자 분광법을 이용한 연구는 4A2 SARPES, 4D PES, 8A1 SPEM, 8A2 HRPES-II, 10D HRPES-I를 포함한 총 13개의 빔라인에서 수행되고 있으며, 이들 연구는 고체 표면의 미세한 원자 및 전자 구조, 분자 흡착, 이차 전지, 저차원 계에서의 상전이 등 다양한 표면 현상을 조사하고 있다.

MX분과

엑스선 결정학(X-ray crystallography)은 단결정에서 얻어진 엑스선 회절 정보를 이용하여 생체 고분자 혹은 화학 복합물의 3차원 구조를 분자 수준(생체 고분자, 3Å 이하; 화학 복합물, 0.7Å 이하)에서 분석하는 방법이다. 방사광의 엑스선은 휘도(photon/s)가 매우 높아 빠른 시간(6분 이내; 360 이미지, 1 이미지/(1도, 1초)) 내에 회절 실험이 가능하고, 홈소스 이용 시 회절 능력이 떨어지는 결정을 이용하여 구조 분석이 가능한 회절 정보 획득이 가능하다. 방사광은 넓은 에너지 범위에서 생성되어, DCM (double crystal monochromator) 분광기를 이용하여 특정 에너지를 선택적으로 사용 가능하여(6~20 keV, 2.06~0.62 Å), 중금속 치환 혹은 Sel-Met 결정을 이용한 MAD 실험으로 de novo phasing이 가능하여, 구조가 알려지지 않은 생체 고분자의 de novo 구조규명이 가능하다.

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포항가속기슬롯 사이트 추천의 엑스선 이미징 프로그램은 실시간/초고속/고해상도/분광분석 실측 영상 기술을 활용하여 물질 내/외부의 2D/3D 영상 정보를 제공합니다. 고에너지 마이크로 CT 빔라인 (6C BMI)에서는 밀리미터급 이상 크기의 시료를 밀리초 이하의 빠른 측정 속도로 수 마이크론 크기의 내부 구조를 영상화할 수 있어, 실시간 구조 변화 관찰이나 금속소재, 세라믹소재 등 두꺼운 시료 내부 구조 분석 연구에 활용됩니다. 나노 CT 빔라인 (7C XNI)에서는 마이크론급 크기의 시료에 대해 분광 특성 분석이 포함된 수십 나노미터급 고해상도의 영상을 제공합니다. 나노급 해상도의 분광영상은 배터리 분야 연구에 활발히 활용되고 있습니다.

fs-THz 빔라인에서 사용 가능한 테라헤르츠(THz)(1THz 33cm-1 or 4meV) 영역은 중적외선(mid-infrared)과 초고주파(microwave) 영역 사이에 위치하고, 빛과 전자기파의 성질을 모두 갖고 있기 때문에 이 테라헤르츠 광원을 이용한 연구 분야는 물리, 화학, 나노과학, 생명과학으로부터 정보, 환경, 우주과학과 국방, 보안에 이르기까지 다양하다. 한편, 적외선 빔라인 12D-IRS는 2013년 건설을 시작하여 2016년에 완공될 예정이다. 현재 방사광 광원이 아닌 상용화된 광원을 이용하여 적외선 분광 실험실을 운영 중이다.

그림 1. 백색광 활용 초미세구조체/소자 제작 예시

그림 2. 탄화규소 기판에 대한 백색광 엑스선 회절 영상 예시

영상 3. 백색광 엑스선 기반 3차원 영상 예시

백색광 활용 연구 기법은 가속기에서 파생되는 엑스선을 일반적인 단색광장치를 거치지 않고, 고휘도 백색빔을 그대로 이용함으로써 초미세 구조 제작, 단결정 시료에 대한 회절 영상 분석 및 시료 내부 및 구조의 실시간 엑스선 영상 가시화 등의 실험 등을 지원한다.

1. 초미세 구조체 제작의 경우 일반적인 자외선 광원을 활용한 포토리소그래피 공정과 달리 엑스선을 광원으로 활용함으로써 전통적인 가공 기술이 구현이 어려운 다양한 고종횡비 마이크로 미세 구조와 부품 및 소자의 제작에 활용된다.
2. 회절 영상 분석의 경우 탄화규소, 산화갈륨 등 다양한 단결정성 기판에 엑스선을 조사하여 생성되는 2차원적인 회절 영상을 획득하고, 회절 강도와 형상 분석을 통하여 결정성 시료 내부의 결함 분포, 품질 평가 및 분석 연구를 수행한다.
3. 고휘도의 백색광을 시료에 조사하여 그 투과영상을 획득하는 엑스선 영상 가시화의 경우 백색광의 유속 특성상 실시간 영상 가시화 혹은 초당 수천장의 고속 영상 획득 구현이 가능하므로 이를 통한 시료의 실시간 가시화 및 환경 모사 실험과 분석에 활용된다.

활용별 빔라인 구분

그림2. 4세대 방사광의 특징

생명과학

우리 몸을 이루는 단백질이나 질병을 일으키는 바이러스의 구조를 알아내 질병의 원인을 밝히고 신약을 개발합니다. 질병단백질 구조파악을 위해 유전자 조작으로 질병단백질을 다량 추출한 뒤 순도 높은 상태로 결정화합니다. 방사광을 이용하면 결정화된 단백질의 회절무늬를 얻어낼 수 있는데 이 데이터를 컴퓨터로 분석하면 질병 단백질의 3차원 구조와 기작원리를 규명할 수 있습니다.

  • 세계 최초 신종플루 치료제 타미플루 개발
  • 고해상도 종양 촬영을 통한 암치료법 개발
실험방법
그림2. 4세대 방사광의 특징

재료과학

반도체나 디스플레이에 사용되는 여러 물질들이 구조에 따라 전기적 특성이 어떻게 달라지는지 알아냅니다. 두께가 수백 나노미터밖에 되지 않는 유기반도체 물질의 분자 구조를 알아내려면 방사광에서 나오는 강열한 엑스선이 필요합니다. 유기반도체에 엑스선을 비추고 이로부터 얻어지는 회절 무늬를 분석하면 전기적 특성에 큰 영향을 미치는 분자구조에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

  • 종이처럼 접는 '플렉시블 디스플레이'에 들어가는 유기반도체물질의 특성 연구
  • 연료전지, 수소 저장 재료 등 친환경 미래 배터리 개발
실험방법
그림2. 4세대 방사광의 특징

나노기술

레이저의 특성을 갖는 방사광을 이용하면 작고 정밀한 기계 부품이나 복잡하고 미세한 전자회로패턴을 만들 수 있습니다. 일반적으로 직접회로를 만드는데 사용되는 자외선기반 리소그래피 기술은 깊이가 얕은 평면구조밖에 만들 수 없습니다. 하지만 방사광에서 나오는 엑스선을 이용하면 더 깊고 입체적인 구조물을 만들 수 있습니다.

  • 사람 몸 안에서 병을 진단하고 치료하는 나노로봇에 들어가는 초소형 기계 부품 제작
  • 고집적 저장매체 개발에 응용할 수 있는 고분자 나노패턴구조 주형 개발
실험방법
그림2. 4세대 방사광의 특징

화학

아주 적은 양의 재료라도 성분을 분석할 수 있고, 성분 물질의 구조가 온도나 압력 등에 따라 어떻게 변하는지 파악할 수 있습니다. 원소 속의 전자들은 고유의 에너지를 가지고 있는데, 방사광에서 나오는 엑스선을 비추어 광전효과로 튀어나오는 전자들의 에너지 값을 측정하면 물질이 어떤 원자들과 겹할되어 있는지 분석 가능하며 결합구조의 안정성에 대한 정보도 얻을 수 있습니다.

  • 베토벤의 머리카락을 분석해 그의 사망원인을 파악
  • 지방층을 없애 표면에 하얀 지방층을 생기지 않는 초콜릿 개발
  • 제올라이트, 그라핀 등 차세대 신재료, 신제품 개발
실험방법