표면과 콜로이드 계의 분석

1.3 표면과 콜로이드 계의 분석
 표면 혹은 콜로이드의 상태를 관찰하거나 분산 상의 크기를 측정하는 장치는 이 분야 연구에 매우 중요하다. 이러한 분석의 원리는 크게 주사 탐침 기법, 회절, 산란, 전자 분광학, 진동 분광학, 크로마토그래피, 동역학, 유변학 등으로 구분할 수 있다. 그 각각의 원리에 따르는 중요한 분석 기법을 아래에 정리하였다.

■주사 탐침(현미경 분석/ 분광학)
-STM (scanning tunneling microscopy) : 원자 수준의 표면 분석, 표면에서의 원자나 분자 조작
-STS (scanning tunneling spectroscopy) : 표면 구조를 탐침 전압으로 분석 (화학 흡착에서의 전자 상태 변화)
-AFM (atomic force microscopy) : 원자 간 힘을 측정하여 전도성 및 부도체 표면 분석
-NSOM (near-field scanning optical microscopy) : 50nm 수준의 분해능 및 화학구조 분석

■회절/ 산란
-LEED (low-energy electron diffraction) : 최적 에너지 전자를 사용할 경우 표면에 한정한 정보를 얻음
-XRD (X-ray diffraction) : 표면 및 내부 결정구조 분석
-암 시야 현미경 분석 ( dark field microscopy) : 산란 현상을 이용한 입자 확산 속도, 입자 크기(~20nm) 및 형대 분석
-광 산란 (light scattering) : 매질과 굴절률의 차이가 큰 콜로이드 분산 상의 크기 분석 (>10nm)
-X-선 산란 (X-ray scattering) : 금속 혹은 산화물과 같은 콜로이드 분산 상의 크기 분석(nano meter-micro meter)
-중성자 산란 (neutron scattering) : 중수 매질에서의 유기 콜로이드 분산 상의 크기 분석 (nano meter-micro meter)

■전자 (현미경 분석/ 분광학)
-X-선 광전자 분광학 (X-ray photoelectron spectroscopy) : 정량적인 표면 원소 분석
-UV 광전자 분광학 (UV photoelectron spectroscopy) : 표면 화학결합의 전자 상태 분석
-Auger 전자 분광학 (Auger electron spectroscopy) : 정량적인 표면 원소분석
-광전자 현미경 분석 (photoelectron microscopy) : SEM(주사), TEM(투과) 분석이 여기에 해당함

■진동 분광학
-IR 분광학 (Infrared spectroscopy) : 쌍극자 선택 법칙이 적용된다. 반사, 내부 전반사 등의 표면 화학 결합에 대한 정보
-EELS (Electron energy loss spectroscopy) : 기질-흡착질 결합과 음향 양자(phonon)에 대한 정보

■크로마토그래피
-크기 배제 크로마토그래피 (size exclusion chromatography) : 고분자 분자량 및 그 분포 분석

■동역학
 -삼투압 측정 (osmometry) : 콜로이드 분산 상의 분자량 측정
 -원심분리 (ultracentrifuge) : 확산 계수, 침강 속도 혹은 분산 상의 입자크기(분자량) 측정

■유변학
 -모세관 점도 분석 (capillary viscometry) : 액체의 점도 측정 (고분자 분자량 결정)
 -실린더 점도 분석 (concentric-cylinder viscometry) : 액체의 점도 측정
 -콘-플레이트 점도 분석 (cone and plate viscometry) : 액체의 점도 측정

1.3.1 표면구조 관찰
 현재 콜로이드 분산상 혹은 표면의 시각적인 형태를 관찰하는 방법으로는 다음과 같은 3가지가 알려져 있다.
  

  ■광학현미경 분석 : 가시 광을 분석에 이용
  ■전자현미경 분석 : 주사 혹은 투과 전자 빔을 분석에 이용
  ■주사 탐침 현미경 분석 : 표면에 매우 근접한 탐침에 의해 표면 전압, 원자 힘 등의 차이를 분석

 일반적으로 현미경 분석의 수준을 평가하는데 배율(Magnification)과 분해능(Resolution)을 사용한다. 배율은 크기의 몇 배에 해당하는 이미지인가를 나타내는 개념이며 분해능은 가장 가까운 두 점을 구분할 수 있는 한계이다. 

 흔히 소액 콜로이드의 입자 크기는 광학현미경을 이용하여 관찰한다. 분산 입자가 광학적으로 구분되려면 입자와 연속 매질이 어느 정도의 굴절률 차이를 보여야 한다. 이러한 광학적 구분을 콘트라스트(Contrast)라고 하는데 입자 크기와는 무관한 기념으로 알려져 있다. 

 광학현미경에 비하여 분해능이 큰 현미경으로는 전자의 파동성을 이용하는 전자현미경이 있다. 이는 전자가 가속되어 어느 정도 이상의 에너지(E)가 되면 다음 식과 같이 전자기파와 같은 파동의 형태를 보인다는 원리에 바탕을 두고 있다 (de Broglie 식)

                                  λ = h / mv = h/(2mE)^1/2 (h : Planck 상수, m : 전자의 질량, v : 전자의 속도)

100 V로 전자를 가속하면 0.12 nm의 파장을 얻으며 이는 원자 크기에 해당한다. 전자현미경에서 전자를 집속하고 방향을 바꾸는데 전자기 렌즈가 사용된다. TEM(transmission electron microscopy)에서 가속 전압으로 100 kV 조건에서 얻는 전자의 파장은 3.9*10^-3 nm 가 된다 전자의 에너지가 높아지면 투과 확률이 높아지나 수직 분해능은 나빠진다. 즉 TEM은 수평 방향으로만 원자분해능을 갖는 2차원 원자 분해능 현미경이라고 할 수 있다. 
 최근에 개발되기 시작한 나노 스케일의 분해능을 지닌 주사 탐침 현미경으로 STM(scanning tunneling microscope), AFM(atomic force microscope) 등이 있다. 이들 분석은 렌즈를 사용하지 않는 방식으로 3차원 공간분해능을 갖는다. STM의 모드를 변화시켜 이미지가 아닌 전압의 형태로 표현한 분광학적인 방식이 STS(scanning tunneling spectroscopy)이다. STS에 의해 표면의 전자 상태의 변화에 대한 정보를 화학구조로 얻을 수 있다.