입도 분석에 대한 기본 안내서-2

입자 형상

  입도뿐만 아니라, 구성입자(constituent particle)의 형상 또한 미립자 물질의 성능 또는 처리에 관하여 상당한 영향을 줄 수 있습니다. 현재 여러 산업분야에서 제품 및 프로세스에 대해 더욱 이해하기 위해 입도와 더불어 입형 측정을 행하고 있습니다. 입형이 중요한 일부 분야는 아래와 같습니다:
•  반응도 및 용해도(예: 의약품 원료)
•  분말의 흐름 및 핸들링(예: 약물 전달 시스템)
•  세라믹 소결체 특성(예: 세라믹 필터)
•  연마제 효율(abrasive efficiency)(예: SiC 실톱)
•  질감 및 촉감(예: 음식 성분)

  특히 응집체 또는 1차 입자가 존재하는 경우 입형을 이용하여 미립자 물질의 분산 상태를 판단할 수 있습니다. 

입형을 어떻게 정의하는가?

  입자는 복잡한 3차원 물체이며, 입도 측정과 마찬가지로 측정과 데이터 분석이 가능하도록 입자 서술을 다소 단순화시키는 것이 필요합니다. 입형을 측정할 때 이미징 기술(imaging technique)이 가장 널리 사용되며, 이 기술로 수집된 데이터는 입자 프로필의 2차원 투사 (projection)입니다. 단순 기하 계산법(simple geometrical calculations) 을 이용하는 이러한 2차원 투사를 통하여 입형 매개변수가 계산될 수 있습니다.


입자 형태

   종횡비(aspect ratio)와 같이 상대적으로 단순한 매개변수를 이용하여 입자의 전반적인 형태의 특성을 분석할 수 있습니다. 아래의 입자의 이미지를 예로 들면 종횡비는 아래와 같이 단순화 될 수 있습니다: 

종횡비= 너비/길이 

   
   종횡비를 이용하면 구형 또는 정육면체와 같이 규칙적 대칭성을 갖는 입자와 바늘 형상 또는 타원의 입자와 같이 한 축을 따라 상이한 치수를 갖는 입자들을 구분할 수 있습니다. 
   연신(elongation)과 원마도 (roundness)를 포함하는 입자 형태 특성을 분석하는 데 이용될 수 있는 다른 형상 매개변수.

입자 윤곽(outline) 

   입자의 윤곽은 집합체 입자의 검출뿐만 아니라 표면 거칠기(surface roughness)와 같은 특성에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 
   입자 윤곽 매개변수를 계산하기 위해서는 볼록한 겉표면(convex hull) 둘레 (perimeter)로 알려져 있는 개념이 이용됩니다. 간단히 말해, 아래의 이미지에 도시된 바와 같이 입자 이미지의 윤곽 주위로 늘어나는 가상의 탄성밴드(imaginary elastic band)로부터 볼록한 겉표면의 둘레가 계산됩니다.
   일단 볼록한 겉표면 둘레가 계산되면, 볼록성(convexity) 또는 견고성 (solidity)과 같은 매개변수를 그 둘레에 기초하여 정의할 수 있습니다.

   여기서,
• 볼록성(Convexity) = 볼록 겉표면 둘레/실제 둘레
• 견고성(Solidity) = 실제 둘레에 의해 둘러싸인 영역/볼록 겉표면 둘레에 의해 둘러싸인 영역

   매우 매끄러운 윤곽을 갖는 입자들은 1에 가까운 볼록성/견고성 값을 갖는 반면, 거친 윤곽을 갖는 입자 또는 응집된 1차 입자는 보다 낮은 볼록성/견고성 값을 가질 것입니다.

   범용 형상 매개변수 
   일부 형상 매개변수 캡처는 입자 형태와 윤곽 모두에서 변화합니다.
   측정되는 물질의 성질에 형태와 윤곽 모두가 영향을 줄 수 있는 경우 이러한 것들을 모니터링하는 것은 유용할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 매개변수는 원형도(circularity) 입니다. 여기서,

• 원형도* = 둘레/등가의 영역을 갖는 원의 둘레

       *이것은 때때로 아래와 같이 정의됩니다:

여기서 상기 정의와의 혼동을 피하기 위해 HS 원형도라고 언급되기도 합니다.
   원형도는 종종 입자가 완전한 구형(perfect sphere)에 얼마나 근사한지 측정하는 데 이용되며, 연마제 입자 마모(abrasive particle wear)와 같은 특성들을 모니터링하는 데 적용될 수도 있습니다. 그러나, 표면의 거칠기 또는 물리적 형태 중 어느 하나에 의한 변화, 또는 그 둘 모두에 의한 변화에 기인하여 임의의 편차가 발생할 수 있기 때문에 데이터 해석 시 주의가 요구됩니다.
   몇몇 응용분야에서 원형도가 매우 유용할 수 있지만, 모든 상황에 적합한 것은 아닙니다. 지금까지, 모든 경우에서 적용 가능한 범용 형상 매개변수의 정의는 없었습니다. 실제로, 각각의 특정한 응용분야에 가장 적합한 매개변수를 판단하기 위해서는 조심스럽게 심사숙고할 필요가 있습니다.

제타 전위
   
   제타 전위는 정전기 또는 전하 반발(charge repulsion) 또는 현탁액 (liquid suspension)의 입자들 간의 인력(attraction) 크기의 척도입니다. 

   제타 전위는 분산 안정성(dispersion stability)에 영향을 주는 것으로 알려진 기초 매개변수들 중 하나입니다. 

   제타 전위의 측정은 분산, 응집(aggregation) 또는 엉김(flocculation)의 원인에 대한 상세한 이해를 도와주며, 분산, 에멀젼(emulsion) 및 서스펜션(suspension)의 포뮬레이션을 향상시키는데 적용될 수 있습니다.

   새로운 포뮬레이션이 도입되는 속도가 성공을 부르는 열쇠입니다. 제타 전위를 측정하는 것은, 후보 포뮬레이션들의 수를 감소시키고 따라서 저장수명(shelf life)의 향상뿐만 아니라 검사 시간과 비용을 최소화하여 안정성 검사를 단축시키는 방법들 중 하나입니다.

   수처리(water treatment) 시, 제타 전위 측정을 이용하여 선량(dosage)을 모니터링하면 선량 제어를 최적화함으로써 화학 첨가제의 비용을 줄일 수 있습니다.

   제타 전위 측정은 세라믹, 의약, 의학, 선광(mineral processing), 전자장치 및 수처리를 포함하는 광범위한 산업 분야에서 중요한 응용분야입니다.


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