접촉각(Contact Angle)의 이론 개념과 종류

국내최초 접촉각측정기 제조회사
(주)에스이오 접촉각측정기,
표면장력측정기, 열전도도계

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안녕하세요! 표면 및 계면, 접착분석
기술 분야를 선도하는 ㈜에스이오 입니다.

㈜에스이오의 주 제조 품목인 접촉각측정기는
국내외로부터 호평을 받으며
1,000대 이상의 Reference가
전세계에서 활동하고 있습니다.

㈜에스이오의 블로그 등 SNS에서
접촉각에 대한 다양한 자료들을
제공드리고 있는데요!

오늘은 접촉각의 기본개념과 접촉각의 종류에
대해서 소개 드리도록 하겠습니다. :D

<접촉각(Contact Angle)이란? 접촉각의 개념>

접촉각(Contact Angle)이란
액체와 기체가 고체 표면 위에서
열역학적으로 평형을 이룰 때
이루는 각을 말하는데요.
고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내는
척도로, 대체로 고착된(Sessile)
물방울에 의해 측정됩니다.
낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성, hydrophilic)과
높은 표면 에너지를 나타내며,
높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성, hydrophobic)과
낮은 표면 에너지를 나타냅니다.

평평한 고체표면에 접촉한 액체의
접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서
물방울 곡선의 끝점과 고체
표면의 접촉점에서 측정이 가능하지요.
그렇다면 접촉각의 종류는
어떠한 것이 있을까요?


접촉각의 종류는 크게
정접촉각(Static Contact angle method)과
동접촉각(Dynamic Contact angle method),
두 가지로 나뉘는데요.
이 두 가지 접촉각의 특성과 측정방법에
대해서 설명 드리도록 하겠습니다. :D

A) 정접촉각 (Static Method)

정접촉각은 일반적으로
젖음성(wettability) 측정을 위해
사용되며, 주로 ‘Sessile drop’ 방법을
이용하여 측정하게 됩니다.
또한 용액을 바꾸어 가면서
표면의 특성을 알아낼 수 있습니다.
 
■ 장점 :
물체의 한쪽 면만을 측정하기에 용이합니다.
사용하는 시약의 양이 매우 적어서 경제적입니다.
시편의 크기에 대체적으로 제한을 받지 않습니다.
      
■ Sessile Drop Method

Sessile Drop Method은
베이스 라인(base line)인
'B'와 접선(tangent)을 이루는
'T'사이의 각인 세타(theta, θ)는
접촉각을 나타냅니다.
작용하는 힘은 각각 액체-기체,
고체-기체, 고체-액체 상호 간
크기와 방향을 가지는 벡터로
계면 에너지를 나타내게 됩니다.
 
이러한 관계를 성립하게 하는
방정식이 Young의 방정식인데요.
Young의 방정식은 평탄하고(smooth)
균질하며 변형되지 않는
이상적인 표면에서 유도된 식으로
하나의 안정된 접촉각을 갖습니다

그러나 실제표면에서는
표면 거칠기(surface roughness), swelling현상,
고체 표면의 화학적 불균질성 때문에
하나 이상의 접촉각을 나타내게 됩니다.
따라서 똑같은 물방울을 가지고도 측정 각도나
측정 방법에 따라서 약간의 오차가 생깁니다.(+/-2도)

B) 동접촉각 (Dynamic Method)

동접촉각은 Wilhelmy plate method,
Tilting method, Captive drop method
총 3가지 Method로 측정하게 되는데요.
세 방법의 장단점을 보기 쉽게
설명해드리도록 하겠습니다. :D

■ Wilhelmy plate method

<장점>
- 매우 정확하게 동접촉각을
측정해 낼 수 있습니다.
- 시편이 시약에 들어갈 때의 각이
전진각이며, 시편이 빠져나올 때의
각이 후진각입니다.
- 용액의 표면장력을 측정할 경우
주로 사용됩니다.

<단점>
- 시편의 모양이 작은 직사각형의
형태를 유지합니다.
- 양면이 균일해야 하여,
시편을 정확하게 만들기 어렵습니다.

■ Tilting method

<장점>
- 판을 기울임으로써 물방울이 기울여진
판에서 흐르기 직전의 값을 읽어냅니다.
- 조작이 단순합니다. 
 
<단점>
- 판을 기울임으로 높이 차이가 생기고
이로 말미암아 중력에 기인한
오차가 증가할 수 있습니다.
- 판을 기울일 경우 정확한
각도를 얻기가 힘듭니다.
 
■ Captive drop method

액체를 기판 위에 떨어뜨린 다음
바늘을 통해 액체의 양을 서서히 증가 시키면서
고체-기체-액체의 3상의 계면을 관찰합니다. 
이때 계면이 움직이기 바로 직전의
각을 전진각(advancing angle),
그와 반대로 바늘을 통해 서서히
액체의 양을 감소시킴에 따라
3상의 계면이 움직이기 바로 직전의 각을
후진각 (receding angle)이라고 합니다. 
 
<장점>
- 시편이 움직일 염려가 없습니다 
- 기존 Sessile Drop 방법으로 가능합니다.

여기까지 동접촉각을 측정하는
세가지 방법에 대해서 설명 드렸는데요.
또 하나 설명드릴 것이 있답니다.
바로 히스테리시스(Hysteresis)라고 부르는 것이랍니다.

C) 히스테리시스(Hysteresis)란?

히스테리시스란 동접촉각에서
전직각과 후진각의 차이를 말하며,
이상적인 것과 비이상적인 것의
편차를 알려주는 도구입니다.
이상적인 완벽한 표면이 있다면
(균질하고 단상이고 깨끗하고,
열역학적으로 안정된 등)
히스테리시스는 나타나지 않지만,
대부분 물질의 표면은 다 히스테리시스를 가집니다.

같은 물체에 있어 히스테리시스는
정상적인 비교 데이터가 될 수 있으며,
크게 나타난 히스테리시스가 줄어들었다면
표면의 거칠기가 줄었다든지,
표면의 덮힘성이 좋아졌다든지,
표면이 좀 더 균질해졌다는 의미
또는 반대로 생각할 수 있습니다.

히스테리시스가 증가하였다면 표면이
좀 더 울퉁불퉁하다든지,
표면의 덮힘성이 나쁘다든지,
표면이 비균질해졌다든지 등으로
인한 것으로 생각할 수 있으며,
표면이 0.1 마이크로 이하의 거칠기를 가진다면,
표면의 히스테리시스는 화학적인
불균질성에 기인할 가능성이 크답니다.
 
전진각은 소수성 성분에 민감하고,
후진각은 친수성 성분에 민감하다는 것도 참고해주세요.

여기까지 접촉각의 기본 개념과
접촉각의 종류에 대해서 설명 드렸는데요.
접촉각을 이해하시는 데에 도움이 되었으면
하는 바람입니다. ^^

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