린온테크에서 제공하는 RHEOLASER MASTER는 FORMULACTION사에서 2009년 “Multi-Speckle Diffusing Wave Spectroscopy”를 이용하여 외력을 가하지 않고 시료 자체가 가진 다양한 Soft Material의 점탄성(Visco-elasticity)을 분석할 수 있다.
많은 Colloids, Emulsion, Foams, Gels, Biological materials 등은 분산상/연속상 계에 분산제 이외에 다양한 물성을 부여하기 위해 Polymer 및 기타 첨가제들이 들어간 ”Structured Media”로 비뉴턴 유체이다. 따라서 액체와 같은 점성적인 특성도 있지만, 고체와 같은 탄성을 동시에 갖고 있는 “Visco-Elastic” 한 특성을 보인다.
점탄성(Visco-elasticity)을 가진 제형은 유체의 흐름성(Flowability), Spreadability, Shape Stability, Gelation, Recovery after Stress, Stability 등 다양한 제품의 최종물성에 영향을 미치므로 매우 중요한 물성 중 하나이다.
Micro-Rheology는 외부에서 국부적인 응력을 가하는 방식과 그렇지 않은 방식에 따라 Active Micro-Rheology와 Passive Micro-Rheology로 대별되며, Active Micro-Rheology는 Micro-Scale의 전기장, 자기장 또는 Micro-mechanical Force를 시료에 가하는 방식으로 Passive Micro-Rheology는 외력을 가하지 않고 시료 자체가 가진 Thermal Energy가 Stress로 작용하며 이로 인해 입자가 Brownian Motion에 의해 움직이고 있는 것을 전제로 한다.
<그림 2>
Passive Micro-Rheology에 대한 개념을 좀 더 자세히 살펴보면 그림2에서 보듯이 입자는 점도가 η인 매질 내에서 Thermal Energy(kbT) 로 인해 브라운 운동(Brownian Motion)에 의해 불규칙(Random)하게 움직이고 있다.
즉, Thermal Energy가 시료에 가해진 Stress이고, 입자가 움직이는 속도(Speed)와 변위(Displacement)가 Strain이라고 할 수 있다. 이때 입자가 움직이는 속도는 시료의 점성과 관계가 있으며, 일정 시간 동안 이동할 수 있는 입자의 변위(Displacement)는 시료의 Structure인 탄성과 관계가 있다. 이러한 입자의 Mobility와 Displacement는 Dynamic Light Scattering 현상의 하나인 MS-DWS(Multi-Speckle Diffusing Wave Spectroscopy)를 이용하여 측정하게 된다.
RHEOLASER MASTER는 광원으로 파장이 650nm인 Laser와 Measurement Cell, 그리고 Multi-pixel Detector로 구성되며 아래 그림과 같은 시료 내부로 보내진 Photon이 여러 개의 입자들과 산란(Multiple Light Scattering)을 일으킨 후 Backscattering 된 빛을 Multi-Pixel Detector에서 감지하게 된다.
<그림 3>
이때 시료에 조사된 빛은 여러 개의 입자들과 다양한 경로로 산란을 일으키게 되므로 산란되어 나오는 빛 간에는 위상 차가 있으며 그로 인해 Detector에서 측정되는 Backscattered Wave에는 보강간섭 및 상쇄간섭이 일어난다. 이때 보강간섭이 일어난 부분은 ‘Bright Spot’으로, 상쇄 간섭이 일어난 부분은 ‘Dark Spot’으로 나타나며 이러한 간섭 이미지를 ‘Speckle Image’라고 한다. 입자는 Thermal Energy로 인해 매질 내에서 Brownian Motion에 의해 불규칙하게 계속해서 움직이고 있기 때문에 측정되는 Speckle Image도 상기 그림처럼 고정된 Image가 아니라 계속해서 변화하게 되며 이를 Speckle Image Deformation이라고 한다.
점탄성(Visco-elasticity)을 갖는 시료 내에서 Scatterers(Particles, Droplets…)는 Brownian Motion에 의해 계속해서 움직이고 있으며 이 움직임으로 인해 시간에 따라 Speckle Image의 Deformation이 일어난다. 이때 시료의 점탄성 특성에 따라 Scatterers의 움직이는 속도는 다르며 이로 인한 Speckle Image의 Deformation Speed도 달라진다. 따라서 Speckle Image의 Deformation Speed를 측정하면 시료의 유변학적 특성 즉, 점탄성을 분석할 수 있다.
<그림 4>
MSD의 단위는 nm²이고 시료 내에서 입자들의 움직임은 0.1nm에서부터 1,000nm까지 정량화할 수 있다. 따라서 매질 내에서 입자들의 MSD는 시료의 점탄성 특성과 직접적으로 연관되며 이로부터 다양한 유변학적 물성들에 대한 정보를 제공한다.
<그림 5>
Purely Viscous(Newtonian Products)한 시료의 경우에 그림 5의 그림처럼 입자는 매질 내에서 완전히 자유롭게 움직이며 MSD는 직선으로 변화한다. 이 직선의 기울기는 시료의 점도에 따라 결정된다. 그러나 시료가 Visco-elastic 하다면 우측 Curve처럼 입자는 더 이상 자유롭게 움직일 수 없으며 이때 MSD는 비직선적으로 변화한다.
Solid Liquid Balance(SLB)는 MSD Curve에서 Plateau의 기울기이다. 기울기가 0.5 이상이면 액체와 같이 점성 특성이 우세하다는 의미이며, 0.5 이하이면 고체와 같이 탄성 특성이 우세하고, 0.5이면 두 특성의 비가 동일하다는 것을 의미한다.
<그림 6>
Elasticity Index(EI)는 시료의 탄성지수로 MSD Curve에서 Plateau 높이의 역수이다. 즉 Plateau의 높이가 낮을수록 그림에서 보듯이 Polymer Network의 Mesh Size가 더 작다는 것을 의미한다.
Macroscopic Viscosity Index(MVI)는 시료의 점성지수로 MSD Curve의 “Long tdec” 영역에서의 기울기이다. 기울기가 낮을수록 MVI는 높다는 것을 의미한다. 만약 그림 6의 우측 그림 예시처럼 기울기가 동일한 경우에는 동일한 MSD(nm²)에 도달되는 tdec이 긴 진한 파판색 Curve의 MVI가 더 높다고 할 수 있다.
RHEOLASER MASTER는 MS-DWS를 이용한 광학적인 방법으로 비접촉식, 비파괴 분석법이다. 시료에 직접적인 Stress가 없이 Zero-Shear 상태에서 분석할 수 있고 유변학에 대한 전문적인 지식이 없어도 Solid Liquid Balance(tan δ), Elasticity Index(G’), Viscosity Index(G”), Gel Point 결과를 쉽게 얻을 수 있다. 그리고 RT에서 90°C 범위에서 온도를 제어하고, 6개의 시료를 동시에 분석할 수 있으며, Glass Cell에 시료를 담아 분석하므로 경시변화에 따른 장시간의 Ageing Test가 가능하다.
Reference(참고문헌) : FORMULACTION Brochure
FORMULACTION의 'RHEOLASER MASTER: 비접촉식/비파괴 방식의 광학적인 점탄성 분석'에 대한 궁금한 사항은 자료를 제공한 린온 테크를 통하여 확인할 수 있다.
Model Name(모델명): RHEOLASER MASTER
Country of Origin(원산지): France
Maker(제조사): FORMULACTION
The Person in Charge(담당자): Lee Yongjae
Mail inquiry: yjlee@leanontech.co.kr
Data Services(자료제공): leanontech
<이 기사는 사이언스21 매거진 2021년 8월호에 게재 되었습니다.>
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