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표면과학
표면과학(Surface science)은 고체-액체 계면, 고체-가스 계면, 고체-진공 계면, 액체-가스 계면 등 두 상의 경계에서 발생하는 물리적 및 화학적 현상을 연구하는 분야이다. 이는 표면화학과 표면물리학의 분야를 포함한다. 관련된 몇 가지 실용적 응용은 표면 공학으로 분류된다. 이 과학은 이종 촉매 작용, 반도체 소자 제작, 연료 전지, 자기 조립 단분자층, 접착제와 같은 개념을 포괄한다. 표면과학은 계면 과학 및 콜로이드 과학과 밀접한 관련이 있다. 계면 화학과 물리학은 두 분야에서 공통적인 주제이다. 방법론은 다르다. 또한, 계면 과학 및 콜로이드 과학은 계면의 특성으로 인해 이질 시스템에서 발생하는 거시적 현상을 연구한다.
목차
역사
표면화학 분야는 수소화 반응에 대한 폴 사바티에(Paul Sabatier)의 연구와 하버 공정(Haber process)에 대한 프리츠 하버(Fritz Haber)의 작업으로 시작되었다. 어빙 랭무어(Irving Langmuir) 또한 이 분야의 창립자 중 한 명이며, 표면과학에 관한 과학 저널인 Langmuir는 그의 이름을 따왔다. 랭무어 흡착 방정식(Langmuir adsorption equation)은 모든 표면 흡착 자리가 흡착 종에 대해 동일한 친화력을 가지며 서로 상호작용하지 않는 경우의 단층 흡착을 모델링하는 데 사용된다. 1974년 게르하르트 에르틀(Gerhard Ertl)은 LEED(Low Energy Electron Diffraction)라는 새로운 기술을 사용하여 팔라듐 표면에서 수소의 흡착을 처음으로 설명했다. 이후 백금, 니켈, 철에 대한 유사한 연구가 진행되었다. 표면 과학의 최근 발전에는 2007년 노벨 화학상 수상자인 게르하르트 에르틀의 표면화학 분야의 발전, 특히 일산화탄소 분자와 백금 표면 간의 상호작용에 대한 그의 연구가 포함된다.
표면화학
두 상(phase)의 계면에서 일어나는 물리적, 화학적 현상을 연구하는 학문을 표면 화학(surface chemistry)이라고 한다. 일반적으로 표면 화학의 주요한 연구 대상은 고체 표면에서 일어나는 기체와 액체 분자의 흡착 반응이다. 연구 대상이나 관심 분야에 따라 표면 과학(surface science), 표면 물리(surface physics), 또는 표면 공학(surface engineering)이라는 용어를 쓰기도 한다.
고체 표면의 원자는 한쪽의 결합이 끊어져 있기 때문에, 고체 내부 현상으로는 설명할 수 없는 매우 독특한 물리.화학적 특성을 나타내며, 흡착되는 기체 및 액체에 대하여 매우 높은 반응성을 갖는다. 표면 과학은 화학, 물리 등의 기초 학문 분야뿐만 아니라 반도체, 전자, 기계, 화공, 재료, 에너지 등의 응용 분야와 밀접하게 연관되어 있다.
현대 표면화학은 첨단 표면 연구 장비를 이용한 연구를 통해 고체 표면을 원자 수준에서 관찰할 수 있을 뿐만 아니라, 표면에 흡착된 원자 및 분자 하나하나를 제어할 수 있는 수준에 도달하였다. 고체 표면에서 일어나는 불균일 촉매 반응, 반도체 제조 공정의 핵심이 되는 화학 증착(CVD), 부식 및 윤활 작용, 전극 반응 등을 분자 및 원자 수준에서 이해하고 또한 효율적으로 제어할 수 있게 되었다. 특히 첨단 전자 소자의 크기가 나노 단위로 작아지면서 표면 과학의 방법론을 이용한 원자 단위의 표면 제어 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.
촉매
가스나 액체 분자가 표면에 부착되는 현상을 흡착(adsorption)이라고 한다. 이는 화학적 흡착(chemisorption)이나 물리적 흡착(physisorption) 때문일 수 있으며, 촉매 표면에 대한 분자의 흡착 강도는 촉매 성능에 결정적으로 중요하다(사바티에 원리 참조). 그러나 복잡한 구조를 가진 실제 촉매 입자에서 이러한 현상을 연구하는 것은 어렵다. 대신, 백금과 같은 촉매적으로 활성화된 물질의 잘 정의된 단결정 표면이 모델 촉매로 자주 사용된다. 다성분 재료 시스템은 촉매적으로 활성화된 금속 입자와 지지 산화물 간의 상호작용을 연구하는 데 사용되며, 이는 단결정 표면 위에 초박막 필름이나 입자를 성장시켜 생산된다.
이러한 표면의 조성, 구조 및 화학적 거동 간의 관계는 분자의 흡착 및 온도 프로그래밍 탈착(temperature-programmed desorption), 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy), 저에너지 전자 회절(low energy electron diffraction), 오거 전자 분광법(Auger electron spectroscopy)과 같은 초고진공 기술을 사용하여 연구된다. 결과는 화학 모델에 입력되거나 새로운 촉매의 합리적 설계에 사용될 수 있다. 표면 과학 측정의 원자 규모 정밀도로 인해 반응 메커니즘도 명확해질 수 있다.
전기화학
전기화학은 고체-액체 또는 액체-액체 인터페이스에서 적용된 전압을 통해 구동되는 과정을 연구하는 분야이다. 전극-전해질 인터페이스의 거동은 전기 이중층을 형성하는 인터페이스 옆의 액체상에서 이온의 분포에 의해 영향을 받는다. 흡착 및 탈착 사건은 적용된 전압, 시간 및 용액 조건의 함수로서 원자적으로 평탄한 단결정 표면에서 분광학, 주사 프로브 현미경 및 표면 X-선 산란을 사용하여 연구될 수 있다. 이러한 연구는 전통적인 전기화학 기법(예: 순환 전압측정법(cyclic voltammetry))과 인터페이스 과정의 직접 관찰을 연결한다.
지구화학
철 사이클링 및 토양 오염과 같은 지질 현상은 광물과 그 환경 간의 인터페이스에 의해 제어된다. 광물-용액 인터페이스의 원자 규모 구조 및 화학적 성질은 X-선 반사율, X-선 고립파(X-ray standing waves), X-선 흡수 분광법(X-ray absorption spectroscopy)과 같은 인시투 싱크로트론 X-선 기술 및 주사 프로브 현미경을 사용하여 연구된다. 예를 들어, 중금속 또는 아메리슘이 광물 표면에 흡착되는 연구는 흡착의 분자 규모 세부 사항을 드러내어 이러한 오염 물질이 토양을 통해 어떻게 이동하는지 또는 자연적인 용해-침전 주기를 어떻게 방해하는지에 대한 보다 정확한 예측을 가능하게 한다.
표면물리학
표면물리학은 대략적으로 인터페이스에서 발생하는 물리적 상호작용의 연구로 정의될 수 있으며, 이는 표면화학과 겹친다. 표면물리학에서 조사되는 주제에는 마찰, 표면 상태, 표면 확산, 표면 재구성, 표면 포논 및 플라즈몬, 에피택시(epitaxy), 전자의 방출 및 터널링, 스핀트로닉스(spintronics), 그리고 표면에서 나노구조의 자기 조립이 포함된다. 표면에서의 과정을 조사하는 기술로는 표면 X-선 산란, 주사 프로브 현미경, 표면 강화 라만 분광법(surface-enhanced Raman spectroscopy), 및 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)이 있다.
표면 화학의 연구 방법
표면 성분 분석
(1) X-선 광전자 분광학(XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy): X-선을 표면에 조사하면 핵심부 전자(core electron)가 광전자로 방출된다. 방출되는 전자의 운동 에너지를 측정하여 표면의 조성과 화학적 결합 상태에 대한 정보를 얻는다.
(2) 자외선 광전자 분광학(UPS, UV Photoelectron Spectroscopy): XPS와 유사하지만 UV를 조사하여 원자가 전자가 방출한다. 표면 영역의 전자 상태 밀도와 흡착된 분자의 결합 상태에 대한 정보를 얻는다.
(3) AES(Auger Electron Spectroscopy): 높은 에너지의 전자를 표면에 충돌시키면 핵심부 전자가 방출된다. 들뜬 원자의 이완 과정에서 주위의 다른 전자가 방출되는데, 이 전자를 오제(Auger) 전자라고 한다. 오제 전자의 에너지를 측정하면, 표면 최상층에 분포하는 성분을 관찰할 수 있다.
(4) 전자 분광 화학 분석법(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis): XPS, UPS, AES 등을 통칭하며 ESCA라고 한다.
(5) 이차 이온 질량 분석법(SIMS, Secondary Ion Mass Spectroscopy): 높은 에너지의 이온을 표면에 충돌시킨 후 방출되는 이온이나 이온화된 원자 뭉치를 질량 분석기로 검출한다. 표면의 화학적 조성과 결합 상태에 대한 정보를 얻을 수 있다.
표면 구조 연구
(1) 주사 터널 현미경(STM), Scanning Tunneling Microscopy): 뾰족한 도체 바늘을 고체 표면에 가까이 접근시키면 공간을 통해 전자가 이동하여 전류가 흐르며, 이를 터널 전류(tunneling current)라고 한다. 터널 전류는 바늘과 표면 사이 거리에 관련이 있으므로, 팁을 표면에 대해 스캔하면 표면의 원자 구조를 영상화할 수 있다. 표면의 구조를 원자 수준에서 관찰할 수 있다.
(2) [[원자 힘 현미경](AFM, Atomic Force Microscopy): STM과 유사하지만 바늘과 표면 사이에 작용하는 힘을 이용하여 표면의 구조를 영상화하며, 금속 산화물 같은 부도체에도 사용할 수 있다.
(3) 투과 전자 현미경(TEM, Transmission Electron Microscopy): 높은 에너지의 전자빔이 시료를 통과하면서 만들어지는 회절 무늬로 표면이나 표면 최상층의 원자 구조를 이미지화 한다. TEM은 광학 현미경이나 주사 전자 현미경(SEM, scanning electron microscopy)에서 관찰할 수 없는 원자 수준에서의 이미지를 얻을 수 있다.
(4) 저에너지 전자 회절(LEED, Low-Energy Electron Diffraction): 단일 에너지(<200eV)의 전자를 시료 표면에 수직으로 조사하여 그 격자에서 회절이 일어나게 한다. 회절 패턴을 관찰하면 표면의 원자 구조 및 흡착물의 흡착 형태에 대한 정보를 얻을 수 있다.
(5) 반사 고에너지 전자 회절(RHEED, Reflection High-Energy Electron Diffraction): 단일 에너지(1~20keV) 전자를 시료 표면에 사각으로 조사하여 표면에서 일어나는 탄성 산란 과정에서의 회절 패턴을 관찰한다. 에너지 변화에 따른 회절 패턴 변화로부터 표면의 원자 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.
표면 흡착 물질 연구
(1) 고분해능 전자 에너지 손실 분광법(HREELS, High-Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy): 단일 에너지(2~10eV) 전자빔을 표면에 사각으로 충돌시킨다. 충돌해서 반사되는 과정에서 흡착된 분자와의 상호작용으로 전자는 일부 에너지를 잃는다. 손실 에너지는 분자의 진동 에너지 준위와 직접적인 관련이 있으므로 표면 분자에 대한 진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.
(2) 적외선 반사 흡수 분광법(IRAS, Infrared Reflection Absorption Spectroscopy): 적외선 빔이 고체 표면에 사각으로 입사 방출되는 과정에서 표면에 흡착된 분자와의 상호작용이 일어난다. 방출되는 적외선을 관찰하면 표면 분자에 대한 진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.
(3) 표면 증강 라만 분광학(SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy): 가시광선이나 자외선의 표면 산란 과정에서 라만 산란을 관찰하여 진동 스펙트럼을 얻는다. 은이나 금 등의 일부 거친 표면에 분자가 흡착된 경우 라만 산란 세기가 1010 정도 증강되므로 단일 분자를 검출할 수 있을 정도로 표면에 민감한 분석 방법이다.
(4) 근단부 X-선 흡수 미세 구조(NEXAFS, Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure): 방사광 가속기에서 발생하는 편광 X-선을 시료 표면에 조사하여 핵심부 전자 전이가 일어나도록 만들어 흡수 스펙트럼을 얻는다. X-선의 입사각을 변화시키면서 스펙트럼의 변화를 관찰하면 흡착된 분자의 3차원적인 흡착 구조를 알 수 있다.
(5) 합 진동수 발생(SFG, Sum Frequency Generation): 높은 에너지의 레이저빔 2개를 표면에 조사하면 비선형 광학 과정에 의해 두 빔의 진동수 합과 같은 진동수의 빛이 만들어진다. 쪼여준 레이저 빔의 진동수가 표면에 흡착된 분자의 진동 에너지와 같으면 매우 강한 합 진동수 빛이 발생한다. 이로부터 표면에 흡착된 분자의 진동 스펙트럼을 얻을 수 있다.
(6) 온도 설정 탈착(TPD, Temperature Programmed Desorption): 낮은 온도에서 표면에 원자나 분자를 흡착시킨 후 일정한 속도로 표면을 가열할 때 열 또는 표면 반응에 의해 탈착되는 분자를 질량 분석기로 검출한다. 이로부터 표면에 흡착된 물질, 흡착 에너지, 표면 반응 등에 관한 정보를 얻을 수 있다.
참고자료
- 〈표면 화학〉, 《화학백과》
- "Surface science", Wikipedia
같이 보기
