화공생명공학기초실험 | Contact Angle

 

 

 

TIP

 

 

접촉각은 물질의 표면에너지를 측정 하고, 물질의 특성을 파악하는데 중요한 역할을 한다. 실험을 통해 주어진 물질의 접촉각을 측정하고, 부착일을 구해본다. 그리고 접촉각이 실험 조건에 따라 어떻게 변하고, 각종 기판에 어떻게 변하는지 관찰한다.

 

 

 

접촉각(Contact Angle)

접촉각 이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰때 이루는 각을 말한다. 표면과 액체사이에서 이루는 접촉각의 측정은 접착 (adhesion), 표면처리 그리고 폴리머 표면 분석과 같은 많은 분야에서 잘 알려진 분석 기술로서, 수Å 단위의 단일층 변화에도 민감한 표면 분석기술이다.

 

이번 실험에서는 각각의 water와 iso-propyl alcohol시약으로 다섯 가지 다른 종류의 기판에 대한 Contact angle을 측정하여 Zisman Plot을 그리고, Adheision of Work, 기판의 Critical Surface Tension을 구해본다. 액체를 고체 표면 위에 적하시키면 고체 표면에 액적을 형성한다. 이 때 액체면과 고체면이 이루는 각을 접촉각이라 한다.

 

젖음(Wetting)이라 하고 이런 젖음 현상을 수치화한 것이 접촉각이다. 접촉각의 값은 액체, 고체의 표면장력에 의존하고 이러한 접촉각은 고체 표면의 물성을 평가하는 중요한 자료가 된다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정된다. 액체방울을 수평인 고체표면 위에 놓으면 일정한 렌즈형을 가진 방울로 되는 경우가 있다.

 

 

이때 액체의 표면은 곡면이 되는데, 이 끝에서는[Fig 2.]에 나타난 대로, 고체표면과 액체표면이 일정한 각도를 이룬다. 이 각도([Fig 2.]처럼 액체의 안쪽에서 잰 것)를 접촉각이라 한다. 접촉각은 일반적으로 액체와 고체의 종류에 따라 다른데, 각이 90℃보다 크면 액체는 고체표면을 적시지 않고, 작으면 적신다.

 

 

접촉각에 영향을 주는 요인

1. 온도 : Young's Equation에서 변수로 작용하는 표면장력은 온도에 따라 변화하는 온도 함수 값이다. 따라서 온도는 표면장력과 동시에 접촉각에 영향을 준다. 접촉 온 도는 시험 액체의 증발을 유발 ,액체의 증기압을 고려해야 한다. 일반적으로 접촉각은 접촉 후 수초이내에 그 영상을 얻기 때문에 증기압에 의한 손실은 없다고 가정한다. 단, 표면장력의 경우 온도가 올라가면 표면장력 값이 일반적으로 떨어진다.

 

2. 시간 : 시간의 흐름은 액체의 증발 또는 표면과 액체 사이에 존재하는 힘의 변화에 영 향을 미쳐 접촉각에 변화를 준다. 시간이 지날수록 표면상태는 변화되며, 이런 현상은 특히 고분자 시편에서 더욱 차이가 크게 난다.

 

3. 부피, 밀도 및 중력 : 중력의 영향은 사용한 액체의 밀도와 방울 체적에 영향을 미치며, 높이/너비-방법으로 각도를 측정할때 특히 중요한 요소로 작용된다. 따라서 용액의 부피를 일정하게 하여 측정하는 것이 중요하다. 베이스 라인을 중심으로 200㎕ 이상일경우 표면장력의 값은 정확하게 측정하기 어렵고 가장이상적인 물 방울의 양은 10㎕정도이다.

 

4. 방울 크기 : 물방울의 지름이 증가하면 중력의 영향이 커지며, 따라서 접촉각에 변화를 준다.(물방울의 지름이 클수록 접촉각은 감소한다.)

 

5. 표면의 성질 : 접촉각은 표면의 상태 특히, 거칠기에 따라 영향을 받는다. 표면이 거칠 면 이론치보다 멀어지는 값을 가지며 정상적인 접촉각을 가지지 않고 위치에 따른 다른 값을 가질 수 있다.

 

6. 정량 공급율 : 동접촉각의 측정 시 방울체적의 변화는 시액양의 변화에 따라 그 값이 변한다. 정량공급 속도는 분당 0.01부터 0.1 ㎖/min 정도가 적당하고, 공급속도 는 정량공급 비율과 방울 동작사이에는 비례관계가 성립하지 않는다.

 

7. camera tilt value : camera tilt value는 우리말로 의역하면 카메라 측정 각도이다. 측 정각도가 일정치 않거나 정위치에 벗어나면 측정값에 변화를 가져온다. 특히 낮 은 각도의 접촉각을 측정 할 경우, 그 값의 변화는 커지며, 일반적으로 3도 이 하의 tilt 값을 가진다. 이는 접촉각을 측정하기 위한 image의 baseline 을 찾아내기 위한 중요한 요소이기도 하다. 또한 특별한 경우를 제외하고 camera tilt value 는 항상 일정하게 적용하여야 오차 없는 측정치를 산출할 수 있다.

 

8. lens & light : 렌즈 특성상 빛의 굴절이 발생하며, lens를 통해서 들어오는 image는 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 고성능의 lens를 사용하는 것은 측정장비 제작 시 매우 중요한 사항중 하나이다. 측정시 라이트의 강도가 너무 세면 빛의 굴절 을 유발하여 이미지 edge line의 왜곡을 발생하도록 하며, 너무 약하면 noise가 증가하여, 측정이 불가능하다. 적절한 양의 빛의 밝기는 각각의 시험 장비에 따 라 다르며, 일반적으로 그 값은 image edge line과 sample surface의 구분을 명확히 볼 수 있는 정도이다. 또한 이는 sample 과 drop의 종류에 따라 가감하여 사용되어진다.

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실험 방법

실험 1

1) 실린지에 Isopropyl alcohol 수용액을 넣는다.

 

2) 렌즈의 초첨을 맞추고 OHP-film 기판, 실린지의 높이를 조절한다.

 

3) 렌즈의 초점을 맞추고 기판, 실린지의 높이를 조절한다.

 

4) 모니터를 보면서 바늘 끝에 방울(10㎛)이 맺히게 한다.

 

5) 방울이 구모양이 되었을 때 기판을 높혀서 기판으로 방울을 이동 시킨다.

 

6) 기판을 밑으로 내린 후 퍼져있는 액체를 사진으로 캡춰한다.

 

7) 접촉각을 측정한다

 

실험 2

1) 실린지에 물을 넣는다.

 

2) 실험 1의 2)(기판을 바꿔가며)～7)을 반복한다.

 

3) 실험 결과를 통해 각 기판의 Critical Surface Tension (GGFY equation을 이용)을 구해본다.

 

 

 

 

[화공생명공학기초실험]Contact Angle 레포트