접촉각에 대해서

접촉각에 대해서

접촉각이란 무엇인가?

물방울을 테이블 표면에 떨어뜨렸을 때 둥근 물방울이 되는 것을 본 적이 있을 것입니다.

경우에 따라서는 떨어뜨린 물이 끈적하게 퍼져 버릴 수도 있다고 생각합니다.

이러한 현상은 액체의 고체표면에 쉽게 젖어서 결정되며, 떨어뜨린 액체와 고체표면의 표면장력 및 그 고체, 액체간의 계면장력 값으로 나타납니다.

떨어뜨린 액적과 고체표면으로 형성되는 각도를 접촉각이라고 불러 Young의 식으로서 알려진 공식이 성립됩니다.접촉각은 고체표면과 액체의 종류로부터 대략 같은 값을 얻을 수 있기 때문에 현재는 고체표면의 상태를 알기 위한 좋은 지표로 다양한 분야의 연구, 생산관리 현장에서 측정되고 있습니다.

접촉각은 어떻게 재는가?

접촉각은 실제 고체와 액체의 샘플을 사용하여 액적을 작성하고 측정합니다.

고체 표면상에 만들어진 액적은 실제로 어떤 각도를 형성하여 존재하고 있습니다.

일반적인 측정 방법으로서 액적에 빛을 비추고 그 반대편에서 카메라로 액적의 화상을 파악해 화상 해석으로 접촉각을 계산하는 방법이 있습니다.

세계 1위 점유율을 자랑하는 KRSSSS사의 접촉각계는 다양 나 라인업이 있는데 이 구조가 기본 부분에 있습니다.

카메라로 파악된 화상을 소프트웨어로 해석해, 접촉각을 계산합니다.

접촉각 계산 방법은 몇 가지 종류가 있으며 상황에 따라 구분하여 사용할 필요가 있습니다.

과거에는 폭높이법(θ/2법)이 일반적이었으나 현재는 Young-Lapace법과 타원법이 많이 사용되고 있습니다.

정적 or 동적?

고체 샘플 상에 떨어진 액적은 즉시 일정한 각도를 형성하여 안정되는 것은 아닙니다.

샘플에 따라서는 서서히 젖어 퍼져나가는 것도 있고, 게다가 단시간에 젖어 퍼지는 샘플이라도 매우 짧은 시간에 거동을 보는 것이라면 시간에 따른 각도의 변화가 없는 것은 아닙니다.

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접촉각을 사용하여 샘플 평가를 한다면 이 점을 주의해야 합니다.

착액 후 시간이 제각각인 상태에서 측정을 해도 올바른 비교를 할 수 없게 되어 버립니다.

 

위와 별도로, 의도하여 액적에 변화를 줌으로써 동적인 접촉각을 측정하는 방법도 있으며, 확장 수축법이나 미끄러짐법 등이 알려져 있습니다.

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확장 수축법

고체샘플의 동적인 확장성을 평가하는 방법으로 고체샘플상의 액적 부피를 증가 또는 감소시켜서 계면을 전진 및 후퇴시키면서 경시적으로 접촉각을 측정하는 방법입니다.고체 샘플상의 액적과의 접점이 확장(전진 접촉각) 혹은 축소(후퇴 접촉각)하기 시작했을 때부터의 접촉각을 측정합니다.

발액성 평가나 고체 표면의 균질성 평가에 이용되고 있습니다.또한 전진 접촉각과 후퇴 접촉각의 차이는 접촉각 히스테리시스라고 불리며, 이 값이 작을수록 고체 표면의 균질성이 높아진다는 지견이 있습니다.

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미끄러짐법(전락법)

액적을 착액시킨 고체샘플을 기울여 물방울이 미끄러지는 각도(전진각,후퇴각)나 미끄러질때 액적자 자신의 접촉각(전진각,)을 평가하는 방법입니다.

 

확장·수축법과 마찬가지로 동적인 전진각과 후퇴각을 측정할 수 있으며, 그에 더해 전락각에서는 부착성을 평가할 수 있습니다

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접촉각의 각종 계산 방법

액적법에서는 카메라로 포착한 액적의 형상을 타원커브 등에 피팅시켜 접촉각을 산출하는데 그 계산식에는 여러 종류가 있습니다.

예를 들어 유리기판의 접촉각을 구하는 JIS 규격 R3257에서는 액적의 폭과 높이에서 접촉각을 산출하는 폭높이법(θ/2법)이 채용되어 있습니다.

그러나 폭높이법은 그 간편함을 이유로 접촉각 측정의 여명기에 만들어진 것으로 비대칭 형상의 액적이나 고접촉각을 나타내는 샘플로는 올바른 평가를 할 수 없습니다.

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소프트웨어에 의한 화상해석 기술이 진보한 현재는 보다 정확한 측정이 가능한 영러플러스법이나 타원법이 일반적입니다.

접촉각의 크기나 정적 접촉각이나 동적 접촉각 등 상황에 따라 적절한 계산방법을 선택하는 것이 올바른 평가를 실시하기 위해서는 매우 중요합니다.

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참고:https://www.kruss-scientific.com/fileadmin/user_upload/website/literature/kruss-tn314-en.pdf

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다양한샘플의접촉각

위에서 해설한 방법이면 평평한 고체샘플의 접촉각은 쉽게 측정할 수 있지만 특수한 형상의 샘플은 어떨까요?

예를 들어 제약의 세계에서는 약의 용해성을 평가할 필요성이 있습니다만, 분약의 젖는 정도는 어떻게 평가하면 좋을까요.

그러한 어플리케이션에는 표면 장력계가 사용됩니다.

"표면장력계로 접촉각을 측정한다"라고 하면 위화감이 있을지도 모르지만, 표면장력을 측정했습니다.

정하는데도 고체를 사용한다는 점에서는 표리일체로, 표면장력이 기존의 액체를 사용하여 측정하면 접촉각을 알 수 있습니다.

표면장력계로 접촉각을 측정할 경우 Wilhelmy법, Washburn법 등의 이론이 사용됩니다.

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특수 환경에서의 접촉각

젖음성 평가의 대상이 되는 샘플이 다종 다양함과 동시에 특수한 환경, 예를 들어 고온·고압하에서의 접촉각 측정을 하고 싶은 경우나 질소가스 분위기로 측정하고 싶은 경우도 있지 않을까요?

함께 생각해서 아이디어를 내봄도 좋을듯함니다.

 

https://www.smartinst.co.kr/