EDS 분석 기초 – 원리부터 스펙트럼 읽는 법까지

SEM이나 TEM을 사용할 때 “이 밝은 부분은 어떤 원소일까?”, “이 상(phase)에 어떤 원소들이 섞여 있을까?”라는 질문이 자연스럽게 생깁니다. 이런 궁금증을 풀어 주는 대표적인 조성 분석 기법이 바로 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)입니다. EDS는 시료에서 나오는 특성 X-선을 에너지별로 나누어 측정함으로써, 어떤 원소가 들어 있는지, 대략 어느 정도 비율로 존재하는지를 분석하는 방법입니다.

이 글에서는 전자현미경을 사용하는 연구자와 학생을 위해 EDS의 기본 원리, 스펙트럼 구조, 피크 읽는 방법, 정량 분석 시 주의점까지 차근차근 정리합니다. “스펙트럼은 보는데 항상 해석이 애매하다”는 느낌이 있었다면, 이 글을 통해 기초를 단단히 잡는 데 도움이 될 것입니다.

1. EDS란 무엇인가?

EDS는 전자빔이 시료에 들어가면서 발생하는 특성 X-선(characteristic X-ray)을 측정하여 원소 조성을 분석하는 기법입니다. SEM-EDS, TEM-EDS, STEM-EDS 등 장비 형태는 다양하지만, 기본 사고방식은 동일합니다.

에너지 분산형(Energy Dispersive) → X-선의 에너지를 연속적으로 측정하여, 에너지 축(keV)에 따라 스펙트럼을 얻는 방식입니다.
원소별 고유 에너지 → 각 원소는 고유한 에너지의 X-선을 방출하므로, 특정 에너지 위치의 피크를 통해 어떤 원소인지 식별할 수 있습니다.
정성 + 반정량/정량 분석 → 스펙트럼 피크의 존재 여부로 “어떤 원소가 있는지(정성)”를 파악하고, 피크 면적과 보정을 통해 “얼마나 들어 있는지(정량)”도 추정할 수 있습니다.

결국 EDS는 “전자현미경에서 보이는 구조”와 “그 구조를 이루는 원소”를 연결해 주는 다리 역할을 하는 분석 기법입니다.

2. EDS 작동 원리 – 특성 X-선은 어떻게 만들어지는가

EDS의 핵심은 내각전자 전이(inner-shell transition)입니다. 전자빔이 시료 원자에 충돌하면, 원자 내부 궤도(K, L, M 등)에 있던 전자가 튀어나가면서 “빈자리(정공)”가 생깁니다. 이 빈자리를 메우기 위해 더 바깥 궤도의 전자가 떨어져 들어오면서 에너지를 방출하는데, 이 에너지가 바로 특성 X-선입니다.

Kα, Kβ, Lα … → 예를 들어 L 궤도의 전자가 K 궤도 빈자리로 전이하면 Kα, M 궤도 전자가 K로 전이하면 Kβ와 같이 표기합니다.
원자번호가 다르면 에너지도 달라짐 → 각 원소는 전자 궤도 에너지 준위가 다르기 때문에, 방출되는 X-선 에너지도 고유합니다. 이 덕분에 피크 위치만 보고도 어떤 원소인지 판별할 수 있습니다.
에너지 분해 → EDS 검출기는 들어온 X-선의 에너지를 전기 신호로 변환하고, 그 에너지에 따라 카운트 수를 누적하여 스펙트럼을 만듭니다.

정리하면, EDS는 전자빔 → 내부 전자 궤도 이온화 → 상위 궤도에서 하위 궤도로 전이 → X-선 방출 → 검출 및 에너지 분석이라는 흐름으로 작동합니다.

3. EDS 시스템 구성과 측정 조건

EDS를 제대로 이해하려면, 기본적인 시스템 구조와 주요 세팅값을 알고 있는 것이 좋습니다.

검출기(Detector) – 현재는 대부분 실리콘 드리프트 검출기(SDD)를 사용합니다. – 검출 면적, 에너지 분해능(eV), count rate 등이 분석 품질에 영향을 줍니다.
Take-off angle – 시료 표면과 검출기 사이의 각도입니다. 각도에 따라 시료 내부에서 나오는 X-선이 흡수되는 정도가 달라집니다.
가속전압(SEM/TEM 설정) – X-선을 만들기 위해서는 충분한 전자 에너지가 필요합니다. – 저에너지 X-선(경원소)을 볼지, 고에너지 X-선(중·중량 원소)을 볼지에 따라 최적 전압이 달라집니다.
Live time / Acquisition time – 스펙트럼을 얼마나 오래 수집할지 결정하는 값입니다. – 시간이 길수록 카운트 수가 늘어나고 S/N 비가 좋아지지만, 빔 손상과 시료 변화를 고려해야 합니다.

EDS 설정은 “어떤 원소를, 어느 정도 정확도로, 얼마나 빨리 알고 싶은가”에 따라 조합을 바꾸게 됩니다.

4. EDS 스펙트럼 구조 이해하기

EDS 스펙트럼은 보통 X축에 에너지(keV), Y축에 카운트 수(counts)를 표시합니다. 가장 기본적인 구조를 이해해 두면, 새로운 스펙트럼을 볼 때도 당황하지 않게 됩니다.

배경(Background) – 낮은 에너지부터 높은 에너지까지 완만하게 이어지는 “언덕”처럼 보이는 부분입니다. – 브렘스트랄룽(bremsstrahlung) 같은 연속 X-선 성분이 포함되어 있습니다.
특성 피크(Characteristic peaks) – 배경 위에 뾰족하게 올라오는 피크들이 각 원소의 특성 X-선입니다. – 예: Si Kα, Fe Kα, O Kα, Cu Kα 등
주요 선(라인) 계열 – K 계열: 경·중량 원소에서 가장 자주 보는 Kα, Kβ 피크 – L 계열: 중·중량 원소에서 자주 등장하는 Lα, Lβ 피크 – M 계열: 매우 무거운 원소의 경우 M 계열도 사용할 수 있습니다.

실제 분석에서는 소프트웨어가 자동으로 피크에 레이블을 붙여 주지만, “어느 에너지 근처에 어떤 원소 피크가 오는지”를 대략 머릿속에 갖고 있으면, 자동 피크 식별이 틀렸을 때 빠르게 눈치챌 수 있습니다.

5. 피크 식별과 정성 분석 – 어떤 원소가 있는지 읽어내기

정성 분석의 목표는 “이 시료에 어떤 원소들이 존재하는가?”를 파악하는 것입니다. 기본 절차는 다음과 같습니다.

눈으로 피크 위치 확인 – 큰 피크 몇 개를 먼저 보고, 예상되는 후보 원소를 떠올립니다.
소프트웨어 자동 피크 식별 활용 – 프로그램이 제안하는 원소 리스트를 보되, 100% 신뢰하지는 않습니다.
중복·중첩 피크 확인 – 예: Ti Kβ와 V Kα, Mo Lα와 S Kα 등 일부 피크는 에너지가 비슷해 서로 겹칠 수 있습니다.
시료 정보와 상식 결합 – 실제 시료 조성(공정, 재료 시스템)을 알고 있다면, 현실적으로 존재할 가능성이 낮은 원소는 후보에서 제외합니다.

정성 분석 단계에서는 “어떤 피크가 진짜이고, 어떤 피크는 겹쳐 보이는 것인지”를 판단하는 눈을 기르는 것이 중요합니다. 시료 조성에 대한 기본 지식이 있을수록 해석이 훨씬 빨라집니다.

6. 정량 분석 기초 – 숫자로 조성을 말하려면

정량 분석은 “Fe가 몇 wt%인가?”, “O/Si 비가 얼마인가?”와 같이 구체적인 숫자를 얻는 것을 목표로 합니다. 다만 EDS 정량 분석은 여러 보정이 필요하기 때문에, “얼마나 믿을 수 있는 숫자인가?”를 항상 함께 생각해야 합니다.

피크 면적 → 원소 비율 – 각 원소 피크 면적(또는 높이)을 측정한 뒤, 원자번호(Z), 자흡수(A), 형광(F) 효과 등을 보정(ZAF 보정)하여 원소 비율을 계산합니다.
Standardless vs Standard 기반 – Standardless: 내장 데이터베이스와 물리 모델을 이용하여 참조 표준 없이 정량을 수행하는 방법입니다. 편리하지만 정확도는 제한적입니다. – Standard: 실제 표준 시료를 측정하여 감도 계수를 보정하는 방식으로, 일반적으로 더 정확한 결과를 기대할 수 있습니다.
오차 범위 인식 – 대략적인 조성(예: 주요 원소 wt% 수준)을 보는 용도로는 충분하지만, 고정밀 정량(수 % 이하 오차)을 위해서는 시편 준비, 표준 측정, 조건 통제가 매우 중요합니다.

정량 분석 결과를 보고할 때는 숫자만 적기보다, 사용한 전압, 측정 시간, 분석 영역, ZAF/Phi-Rho-Z 모델, 표준 사용 여부 등을 함께 기록하는 것이 좋습니다.

7. EDS 분석에서 자주 발생하는 오류와 주의점

EDS 결과를 해석할 때 자주 등장하는 “함정”들을 미리 알고 있으면, 잘못된 결론을 피하는 데 큰 도움이 됩니다.

피크 중첩(Overlap) – 다른 원소의 X-선 에너지가 비슷해 겹쳐 보이는 경우입니다. – 예: Ti Kβ / V Kα, Mo L / S K, Pb M / S K 등 – 이런 경우 다른 계열(K/L) 피크를 함께 보거나, 실제 시료 조성을 기반으로 어느 쪽이 더 가능성이 높은지 판단해야 합니다.
경원소(저 Z) 분석 한계 – B, C, N, O 등 저에너지 X-선은 흡수가 잘 되고, 검출기 윈도우윈도 특성에 따라 신호가 약해질 수 있습니다. – 저전압, 얇은 시료, 윈도리스 검출기 등 조건 최적화가 필요합니다.
기판·오염 영향 – 박막이나 파티클 분석 시, 기판(예: Si, Cu 그리드)에서 나오는 X-선이 함께 섞여 보일 수 있습니다. – 시료 두께, 조사 깊이, 분석 영역(spot/area/line)을 함께 고려해야 합니다.
표면 코팅의 영향 – Au, Pt, C 코팅은 EDS 스펙트럼에도 그대로 나타납니다. 코팅 원소 피크를 “시료 조성”으로 착각하지 않도록 주의해야 합니다.

요약하면, EDS는 “원소가 보인다 → 무조건 그 재료에 원소가 있다”가 아니라, 시료 준비와 측정 조건, 기판/코팅/오염까지 함께 고려한 해석이 필요합니다.

8. 시료 준비와 실전 체크리스트

EDS 품질은 시료 준비와 측정 조건에 크게 좌우됩니다. 실제 측정 전에 아래 항목을 간단히 점검해 보면 좋습니다.

시료 두께와 형상 – SEM-EDS: 표면이 너무 거칠거나, 단차가 크면 X-선 흡수와 기하 보정이 복잡해집니다. – TEM-EDS: 시편이 너무 두꺼우면 겹상이 심해지고, 공간 분해능이 떨어집니다.
전도성 확보 – 차징이 심하면 빔 위치가 흔들려 정확한 위치에서 X-선을 모으기 어렵습니다. SEM에서는 코팅과 접지를 적절히 사용합니다.
분석 모드 – Point/Spot 분석: 특정 입자나 결함을 정확히 겨냥할 때 사용합니다. – Area/Map 분석: 영역 전체의 평균 조성 또는 분포를 보고 싶을 때 사용합니다.
측정 시간과 카운트 – 신뢰할 수 있는 스펙트럼을 얻기 위해서는 충분한 총 카운트 수가 필요합니다. – 노이즈가 심하면 피크 식별과 정량 모두 불안정해집니다.

간단한 규칙은 “시료를 깨끗하고 안정적으로 준비하고, 충분한 카운트를 확보한 뒤, 피크 해석은 항상 시료 상식과 함께 본다”입니다.

9. 정리 – EDS는 ‘원소를 보는 눈’을 열어 주는 도구입니다

EDS는 전자현미경에서 보이는 구조와 그 구조를 이루는 원소를 연결해 주는 매우 강력한 도구입니다. 기본 원리는 비교적 단순하지만, 실제 스펙트럼 해석 과정에서는 피크 중첩, 경원소 분석 한계, 기판/코팅 영향, 정량 보정 등 고려해야 할 요소가 많습니다.

이번 글에서 정리한 원리 → 스펙트럼 구조 → 피크 읽기 → 정량 기본 → 주의점 흐름을 머릿속에 구조화해 두면, EDS 결과를 훨씬 더 자신 있게 해석할 수 있습니다. 앞으로는 스펙트럼을 볼 때 단순히 자동 피크 레이블만 믿기보다, “왜 이 에너지에 이 피크가 있는지”, “이 숫자가 얼마나 신뢰할 수 있는지”를 함께 생각해 보는 연습을 해 보시길 바랍니다.

원하면 다음 단계로, 라인 프로파일/맵핑 해석, 박막·계면 정량, 특정 재료(배터리, 반도체, 촉매 등)에서의 EDS 전략 같은 조금 더 실전적인 주제도 이어서 정리해 드리겠습니다.

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