무기재료실험(Calcination & X-ray Diffraction)

목차

1. 하소 (calcination)란?
2. 하소의 목적

3. 하소의 방법

4. 소결과 하소와의 관계

5. X-선의 발견

6. X-선의 발생 및 성질

7. X-선 회절실험의 특징

8. 시료준비

9. 실험방법 (분말법)

본문내용

m미만인 박막시편 준비시에는 시편면이 X-선원-시료표면-수광슬릿의 일직선상에 놓이게 하기 위해 측정하고자 하는 박막시편과 높이가 같은 plate 2를 준비하여야 한다.
※ 주의 : 정확한 data를 얻기 위해서는 시료 준비시 세심한 주의가 필요하다. X-선원-시료표면-수광슬릿이 모두 일직선상에 놓여 있어야 하므로 홀더표면과 일치하도록 하여야 한다. 장치가 잘 조정되어 있더라도 시료면이 휘어져 있거나, 또는 홀더면 보다 높거나 낮으면 정확한 data를 얻을 수 없게 된다.
9.실험방법 (분말법)
분말상태의 결정, 또는 다결정체를 시료로하여 X선회절(X-Ray Diffraction)을 얻는것을 분말법(Powder Method)이라고 한다.
이 방법은 시료의 조성분석(상태분석), 결정입자의 상태 또는 집합의 상태 등의 연구에 활용한다.
9.1.분말법의 원리
분말시료에 단색의 가는 X선 다발(X-ray beam)을 조사 시킨다고 하자, 이때 시료중에 있는 결정입자의 면간격 d의 격자면(hkl)이 입사X선(Incident X-Rays)에 대하여 Bragg식(Bragg's formular) 2d sin q = n l 를 만족하는 각도 q (Bragg각, Bragg Angle) 만큼 기울어져 있으면, 입사X선(Incident X-Rays)은 이 격자면에 의하여 회절된다.
이때, 회절선(Diffracted X-Rays)의 방향은 다음 그림과 같이 격자면과의 각도 q, 입사X선(Incident X-Rays)과의 각도 2q(회절각, Diffraction Angle) 만큼 기울어지게 된다.
한개의 결정에의한 회절(Diffraction)
시료중에 결정입자가의 수가 충분히 많은 경우, 격자면의 방향이 무작위(무질서, Random)적으로 있으면 어느 격자면에 의해서도 회절조건을 만족하는 각도(입사X선(Incident X-Rays)에 대하여는 2q)를 갖는 격자면은 분명히 존재한다.
그러므로, 다음 그림과 같이 격자면(hkl)에 의해 회절된 X선(Diffracted X-Rays)은 2q <90o 의 경우는 2q, 2q >90o 의 경우는 180 - 2q 가 되는 원추형으로 나타난다.
동시에, 다른 격자면간격을 갖고있는 격자면(h'k'l')에 의한 회절선(Diffracted X-Rays)은 2q' 에 나타난다.
따라서, 분말에 의한 회절X선(Diffracted X-Rays)은 중심각이 다른 여러개의 원추를 형성한다.
분말에의한 회절(Diffraction)
이러한 원추를 평판 Film으로 얻으면 다음 그림과 같이되며,
평판법(Laue Camera)
원통Film으로 얻으면 다음 그림과 같이 입사X선(Diffracted X-Rays)의 위치를 중심으로 동심원상태의 회절선을 얻게 된다.
원통 Film법(Debye-Scherrer Camera)
이러한 동심원을 일반적으로 Debye-Scherrer ring 또는 간단히 Debye ring 이라고 한다.
계수관을 위 그림의 AA' 에서 주사(Scan) 시켜서 각각의 Debye ring의 X선강도를 측정하여 기록하는 장치가 X선 디프랙토메타 (X-Ray Diffractometer, XRD) 이다.
X선 디프랙토메타(X-Ray Diffractometer, XRD)의 기본원리
위 그림과 같이 시료를 중심으로 원주상에 있는 계수관을 회전시켜 X선강도와 계수관의 각도 2q의 관계를 기록지위에 기록한다.
격자면간격 d는 측정값 2q로 부터 Bragg식 2 d sin q = n l 를 사용하여 구할 수 있다.
9.2.Laue Camera 에 의한 분말시료의 측정
Laue Camera
라우에 카메라(Laue Camera)는 가장 구조가 단순한 기본적인 Camera이다.
본래 단결정용으로 사용 했지만, Debye ring의 상태를 관찰하거나 분발법에 이용 하고 있다.
단결정에 이용하는 라우에 사진(Laue Photograph)은 입사X선의 연속X선을 이용 하지만, 분말법에는 특성X선을 이용한다.
투과법
반사법
위 그림에서 X선(X-Rays)은 Pin Hole 에 있는 Collimator 에 의해 가는 선다발이 되어 시료에 입사된다.
입사X선(Incident X-Rays)이 투과 또는 반사되는 위치에 평판 Film을 놓고 회절X선(Diffracted X-Rays)을 얻어 회절각 2q는 다음식에 의하여 구할 수 있다.
투과법의 경우
2q = tan-1 x/D
반사법의 경우
180o - 2q = tan-1 x/D
여기서, D는 시료와 Film사이의 거리, x는 Debye ring의 반경이다.
9.3.Debye-Scherrer Camera
다음 그림은 Debye-Scherrer Camera (분말 카메라, Powder Camera) 이다.
Debye-Scherrer Camera
시료는 내경 0.3 ~ 1 mm 의 모세관 유리 (Capillary column)에 넣거나, Glass fiber 주위에 부착시켜서 Camera 중심부에 설치한다.
보통, 시료는 회전 또는 진동 시켜서 회절에 기여하는 결정이 많게 하며, Debye ring 의 평균화가 되도록 하여 배향의 영향을 무시할 수 있게 한다.
X선(X-Rays)은 Collimator 에 의해 가는 선다발이 되어 시료에 입사된다.
Film은 Camera 원주상에 설치하여 Collimator 와 Beam trap 을 뺀 넓은 범위의 회절선을 기록할 수 있다.
Debye-Scherrer Camera 의 구조
원통형 Camera의 Camera 반경 r, Debye ring 의 직경을 2x 라고 하면
2q =
180
2x
-----
-----
pr
2
시판되는 Camera의 Camera반경 r은 180/p = 57.3 mm (또는 그 1/2)가 되어 Debye ring 의 반경을 mm 단위로 읽으면, 그대로 2q 가 구해진다.
Diffractometer가 간편하고 강도의 측정도 쉬운데 반해서 Debye-Scherrer Camera 는 Film 처리가 어렵고 강도의 정량성이 어렵다.
따라서, 이 Camera는 시료의 양이 적은경우에 좋고, 배향성이 있는 시료에 적합하다.

키워드

무기재료실험,   하소,   탈수분해