[논문]피타고라스 원리를 이용한 정적 접촉각 정밀 각도 측정방법

최진영; 권동준; 왕작가; 신평수; 박종만

doi:10.17702/jai.2014.15.2.057

피타고라스 원리를 이용한 정적 접촉각 정밀 각도 측정방법
Precise Static Contact Angle Measurements Using Pythagolas Rule 원문보기

접착 및 계면 = Journal of adhesion and interface, v.15 no.2, 2014년, pp.57 - 62

최진영 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원) , 권동준 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원) , 왕작가 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원) , 신평수 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원) , 박종만 (경상대학교 나노.신소재융합공학과, 공학연구원)

초록
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피타고라스 원리를 이용하면 특정 도형이 보유하고 있는 각도에 대한 계산이 용이해진다. 정적 접촉각 평가방법을 이용할 경우 용액과 고체 물체간의 접촉각의 수치 계산이 가장 중요한 부분이다. 용액과 고체 표면이 이루는 각도 측정을 용이하게 하기 위해서 접촉각을 계산하는 방법을 규격화하는 방법과 접촉각 평가에 따른 실험적 변수 최소화 조건을 마련하였다. 접촉각 실험을 위한 용액의 직경에 따른 접촉각의 각도 계산 오차를 분석하고, 최적의 물방울 직경은 1 mm임을 확인하였다. 피타고라스 원리를 이용한 접촉각 측정방법은 전진각과 후진각을 확인하는데 사용할 수 있으며, 소수성 및 친수성 표면을 분석하는데 적용이 가능하였다. 궁극적으로 일반적인 접선 긋기를 통한 각도 계산 결과보다 피타고라스 원리를 이용하여 접촉각 각도 계산을 실시할 경우 비교적 정확한 접촉각 계산 결과를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pythagolas rule was used for investigation of static contact angle in particular figures. Static contact angle measurement was important to evaluate the wettability between solid and liquid. Optimum measurement method and standardization of calculation for static contact angle were investigated for practical application. Optimum diameter of droplet for static contact angle measurement was confirmed as 1 mm. Contact angle measurement using Pythagolas rule was also used to calculate advancing, receding angle and wettability of different surface condition. At last, it was concluded that the Pythagolas rule method was more accurate than general lineation method for static contact angle measurement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Figure 5는 정적 접촉각 측정에 유의해야 할 변수 중 하나인 물방울 크기에 대한 결과이다. 물방울의 직경에 따라 접촉각을 측정하였고 물방울의 직경에 대한 경향을 확인하고자 하였다. 그래프와 같이 물방울을 1, 2, 3, 4 mm로 떨어뜨려 물방울의 크기 차이를 두어 사진 촬영 결과 표면에 대한 변수보다는 물방울 크기에 따른 중력의 영향으로 인한 물방울의 퍼짐 현상이 발생되었다.
본 연구에서는 정적 접촉각 평가방법에 대한 전반적인 변수에 대한 기초연구를 진행하며, 접촉각 측정에 대한 오류를 최소화 시킬 수 있는 피타고라스 원리를 이용한 각도 계산법을 고안하였다. 접점에 대한 명확한 설정과 그에 따른 용액과 고체 시료간의 접촉각을 측정할 수 있었으며, 전진각 및 후진각에 대한 평가와 기울기가 존재할 경우의 접촉각 평가 등에 피타고라스 원리를 이용한 접촉각 측정방법을 적용하여 향후 정적 접촉각 평가방법에 대한 각도 계산 오류를 최소화하는 방법을 연구하였다.
폴리프로필렌의 기지재료에 물방울을 떨어뜨려 전진각과 후진각에 대해 측정해보았다. 그리고 전진각의 경우 80°가 나오는 것을 확인하였다.

제안 방법

크게 친수성과 초소수성 표면을 비교하였으며 각각의 경우에 맞는 원호를 그린 후 접촉각을 측정할 수 있으며 표면이 다를 경우에 왼쪽 접촉각과 오른쪽의 접촉각이 다르므로 원호를 두 개를 그리면 양쪽 각 또한 정적 접촉각 측정에 별 문제가 되지 않음을 확인할 수 있었다. 그리고 물방울의 크기에 따라 정적 접촉각의 변화를 살펴보았다. 그 결과 2 mm 미만인 물방울의 크기가 가장 적합하다고 생각된다.
본 연구를 진행하기 위해 USB형 반사 현미경(AM7013MFit, 디노라이트, 대만)을 이용하여 접촉각 촬영을 시도하였다. 고체 시편에 대해서는 초소수성 표면을 확인하기 위해 나뭇잎과 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF, 시그마알드리치, 미국)을 활용하였으며, 친수성 표면을 확인하기 위해 폴리프로필렌(롯데케미칼, 한국) 팔렛을 핫프레스로 성형한 필름을 이용하였다.
본 연구에서는 정적 접촉각 평가방법에 대한 전반적인 변수에 대한 기초연구를 진행하며, 접촉각 측정에 대한 오류를 최소화 시킬 수 있는 피타고라스 원리를 이용한 각도 계산법을 고안하였다. 접점에 대한 명확한 설정과 그에 따른 용액과 고체 시료간의 접촉각을 측정할 수 있었으며, 전진각 및 후진각에 대한 평가와 기울기가 존재할 경우의 접촉각 평가 등에 피타고라스 원리를 이용한 접촉각 측정방법을 적용하여 향후 정적 접촉각 평가방법에 대한 각도 계산 오류를 최소화하는 방법을 연구하였다.
기계적 평가방법은 주로 재료와 재료가 이루는 계면에 대한 전단응력을 확인하는 방법이 일반적이다. 접착재료나 필름과 필름 간의 흡착에 있어서 T-peel 실험과 같은 방법을 이용하여 계면에서 존재하는 응력 또는 힘의 정도를 분석하여 계면 상태를 분석한다[5]. 기계적 평가방법은 산업에서 제품을 제조할 경우 제품에 대한 응력 해석을 시도할 때 중요한 요소로 기계적인 물성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
고체 시편에 대해서는 초소수성 표면을 확인하기 위해 나뭇잎과 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF, 시그마알드리치, 미국)을 활용하였으며, 친수성 표면을 확인하기 위해 폴리프로필렌(롯데케미칼, 한국) 팔렛을 핫프레스로 성형한 필름을 이용하였다. 접촉각 측정을 위한 물방울의 직경 크기에 따른 영향을 분석하기 위해 다이사이클로펜타디엔(METTON, 림텍, 일본) 수지를 경화시킨 시편을 이용하여 분석하였다.

대상 데이터

본 연구를 진행하기 위해 USB형 반사 현미경(AM7013MFit, 디노라이트, 대만)을 이용하여 접촉각 촬영을 시도하였다. 고체 시편에 대해서는 초소수성 표면을 확인하기 위해 나뭇잎과 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF, 시그마알드리치, 미국)을 활용하였으며, 친수성 표면을 확인하기 위해 폴리프로필렌(롯데케미칼, 한국) 팔렛을 핫프레스로 성형한 필름을 이용하였다. 접촉각 측정을 위한 물방울의 직경 크기에 따른 영향을 분석하기 위해 다이사이클로펜타디엔(METTON, 림텍, 일본) 수지를 경화시킨 시편을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

물방울의 직경에 따라 접촉각을 측정하였고 물방울의 직경에 대한 경향을 확인하고자 하였다. 그래프와 같이 물방울을 1, 2, 3, 4 mm로 떨어뜨려 물방울의 크기 차이를 두어 사진 촬영 결과 표면에 대한 변수보다는 물방울 크기에 따른 중력의 영향으로 인한 물방울의 퍼짐 현상이 발생되었다. 하지만 이러한 상태는 친수성의 표면상태에서는 크게 나타나지 않았으며 소수성의 표면 상태는 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 6과 같이 소수성 표면의 경우 물방울의 일그러짐이 더 쉽게 발생된다. 또한 재료에 대한 차이도 존재 하지만 접촉각 물방울의 직경 차이에 의해서 각도 변화가 크게 발생됨을 확인하였다. 따라서 소수성 표면에 접촉각 물방울을 1 mm로 촬영하여야 최적의 조건을 확보한다는 것을 알 수 있었다[17].
또한, 기울기에 따라 접촉각을 측정하였을 경우에도 피타고라스 원리를 이용한 방법을 통해 측정하여도 문제가 되지 않았다. 연구에서 설정한 방법들을 모두 종합하여 보았을 때 정적 접촉각의 오차범위를 기존의 정적 접촉각 측정방법보다 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 4(b)는 초소수성 표면을 나타내는 결과이며, 이럴 경우는 Figure 3(a)와 다르게 원형을 사진 윗부분으로 그리게 된다. 원과 접하는 부분에 대한 결과를 정확하게 나타내기 위해서는 이러한 차이가 보이며, 사진 윗부분으로 그림을 그리게 된다면 소수성 표면을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
히스테리시스 각이 1°가 큰 영향을 줄 수 있는 변수가 될 수 있으며 보다 정확한 각의 개선이 필요하다. 이에 전진각과 후진각을 측정할 경우에도 피타고라스 원리를 적용시켰으며 그 결과 전진각과 후진각의 오차범위를 줄일 수 있는 점도 확인할 수 있었다.
일반적으로 사용하는 정적 접촉각의 접촉각 측정을 할 경우에 오차가 크다는 것을 확인하였다. 이에 조금 더 오차범위를 줄이고 개선된 방향으로 연구를 진행하였고 그 결과 정적 접촉각을 보다 정확하고 신뢰성 있는 조건으로 개선시킬 수 있었다. 크게 친수성과 초소수성 표면을 비교하였으며 각각의 경우에 맞는 원호를 그린 후 접촉각을 측정할 수 있으며 표면이 다를 경우에 왼쪽 접촉각과 오른쪽의 접촉각이 다르므로 원호를 두 개를 그리면 양쪽 각 또한 정적 접촉각 측정에 별 문제가 되지 않음을 확인할 수 있었다.
일반적으로 사용하는 정적 접촉각의 접촉각 측정을 할 경우에 오차가 크다는 것을 확인하였다. 이에 조금 더 오차범위를 줄이고 개선된 방향으로 연구를 진행하였고 그 결과 정적 접촉각을 보다 정확하고 신뢰성 있는 조건으로 개선시킬 수 있었다.
이에 조금 더 오차범위를 줄이고 개선된 방향으로 연구를 진행하였고 그 결과 정적 접촉각을 보다 정확하고 신뢰성 있는 조건으로 개선시킬 수 있었다. 크게 친수성과 초소수성 표면을 비교하였으며 각각의 경우에 맞는 원호를 그린 후 접촉각을 측정할 수 있으며 표면이 다를 경우에 왼쪽 접촉각과 오른쪽의 접촉각이 다르므로 원호를 두 개를 그리면 양쪽 각 또한 정적 접촉각 측정에 별 문제가 되지 않음을 확인할 수 있었다. 그리고 물방울의 크기에 따라 정적 접촉각의 변화를 살펴보았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	계면을 이루고 있는 이종재료의 전체 물성은 무엇에 의해 좌지우지하는가?	계면을 이루고 있는 이종재료의 전체 물성은 계면의 강도에 의해서 좌지우지된다. 계면의 결합력을 분석하기 위해서는 기계적 평가방법과 열역학적 평가방법이 존재한다[3,4].
	고분자 재료는 어떤 생성과 혼합 과정을 가지는가?	순수 재료를 이용하여 다양한 분야에 두 가지 이상의 재료를 혼합한 이종재료가 다양하게 사용된다[1]. 고분자 재료의 경우 사출이나 압출과정을 가지면서 2가지 종류의 재료 간 혼합이 발생되기도 하며, 고분자 재료의 미관을 꾸미기 위하여 도료 고분자와 기지 고분자 간의 흡착으로 새로운 제품이 생성되기도 한다. 이처럼 두 가지 재료에 대한 혼합 및 결합을 사전에 분석하여 재료와 재료 간의 계면을 분석하는 평가방법이 중요하다[2].
	계면의 결합력 중 기계적 평가방법의 특징은 무엇인가?	계면의 결합력을 분석하기 위해서는 기계적 평가방법과 열역학적 평가방법이 존재한다[3,4]. 기계적 평가방법은 주로 재료와 재료가 이루는 계면에 대한 전단응력을 확인하는 방법이 일반적이다. 접착재료나 필름과 필름 간의 흡착에 있어서 T-peel 실험과 같은 방법을 이용하여 계면에서 존재하는 응력 또는 힘의 정도를 분석하여 계면 상태를 분석한다[5]. 기계적 평가방법은 산업에서 제품을 제조할 경우 제품에 대한 응력 해석을 시도할 때 중요한 요소로 기계적인 물성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 시편을 제조하고, 실제 강도를 분석하기 위한 조건들을 최소화하여 분석하기 위해서 소정의 비용과 시간이 소요된다.

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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