[화공기초실험]고체 표면에너지

실험 목적

접촉각 측정을 통해 얻어진 데이터를 기초로 표면에너지를 계산하고 표면의 극성과 비극성도를 계산할 수 있으며 절댓값으로 환산하여 표면에너지 스펙트럼을 통한 표면의 화학적인 분포를 예상할 수 있다. 그리고 이를 통해 액체 내의 압력에 관한 정의를 이해한다.

실험 이론 및 원리

1. 접촉각

액체가 서로 섞이지 않는 물질과 접할 때 이루는 경계면의 각이다.

그림과 같이 액적이 고체 표면에 접하는 경우 액체와 고체 간에는 접촉각이 형성된다. 이 때 열역학적 계면에너지의 평형관계는 γSV = γSL + γLVcosθY라는 Young의 식이다. θY는 접촉각이다. 접촉각이 크면 젖음성이 작다. Young의 식을 활용하는 모든 계산에 있어서 측정되는 실제의 접촉각은 꼭 Young의 접촉각이어야 한다. 측정되는 접촉각은 고체표면의 불균일성에 의해 크게 작용받기 때문에 표면의 불균일성을 줄이기 위해 코팅, 표면처리에 주의해야한다.

 

2. 표면장력

액체의 표면에서 면적을 줄이기 위해서 작용하는 장력. 표면장력이 크면 표면을 구형으로 이루는 경향을 갖는다. 액체내의 분자들은 사방으로 인력과 척력을 갖는다. 이때의 알짜힘은 0이된다. 하지만 표면에 위치한 분자의 경우 액체방향으로만 힘이 존재한다. 따라서 액체 방향으로 알짜힘이 존재하게 되어 휘어진 표면을 만든다. 이러한 표면 장력은 섞이지 않는 두 액체, 액체-기체, 액체-고체사이에서 관찰된다.

 

3. 표면에너지

위와 같이 표면에 위치한 분자의 힘의 균형이 깨지기 때문에 표면에서 표면의 위치에너지는 액체 내부의 위치에너지 보다 크다. 이 에너지를 최소화시켜 힘의 균형을 이루려고 하는 것이 표면 장력이다. 액체의 표면장력이 크면 고체의 표면에너지는 작다.

 

1) 고체의 표면에너지를 구할 때 필수 사항

① 측정된 각은 반드시 Young 의 각이어야 한다.

② 측정에 사용되는 액체는 매우 순수해야 한다.

③ 사용되는 액체와 고체는 흡수와 반응성이 있으면 안된다.

④ 영의 접촉각은 최초로 측정된 부위의 접촉각이어야 한다.

⑤ 고체표면은 매우 균일해야 한다.

⑥ 액체의 표면에너지는 고체의 표면에너지보다 커야한다.

 

참고 : 액체의 표면장력 (단위는 dyn/㎝) (표1)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
상온	22.10	47.70	72.80

 

4. Antonow의 법칙

Antonow는 다음과 같이 young의 접촉각 및 액체 및 고체의 표면에너지의 관계를 정의하였다.

γSL = |γLV-γSV| ……식(1)

이를 Young의 식과 결합시키면

cosθY = -1 + 2·γSV/γLV ……식(2)

식 (2)에 따르면 γLV 및 Young의 접촉각 θY를 알면 표면에너지(γLV)를 구할 수 있다.

식 2을 정리하면,

 

γSV = [γLV (COSθY+1)]/2 ……식(3)

 

실험 방법

1. 실험 과정

접촉각(Contact Angle)을 측정하는 방법으로는 Sessile Drop Method, Wilhelmy Plate Method, Single Fiber Contact Angle Method, Washburn Adsorption Method 가 있다. 주로 사용되는 방법은 Sessile Drop Method이다.

 

1) Sessile Drop Contact Angle Method

이 방법은 고체표면의 물성을 측정하는데 가장 일반적으로 사용되는 방법으로 고체표면에 일정량의 액적을 떨어뜨려 이에따른 고체와 액체의 접촉각(Contact Angle)을 측정하므로써 고체의 젖음성, 세정정도, 표면처리후의 효과분석등 여러가지 유용한 정보들을 쉽게 얻을 수 있는 방법이다.

접촉각의 형성은 아래 그림과 같이 각 계면간의 상호작용에 의한것으로 접촉각측정 정보를 가지고 역으로 고체표면의 표면에너지(Surface Free Energy), 액체의 표면장력값(Surface Tension)등을 계산할 수 있다.

접촉각의 영향을 주는 인자로는 증발(evaporation),흡착(adsorption),흡수(absorption) 등이다. 액적이 고체표면에 떨어졌을때에는 이러한 영향에 의하여 각의 값이 변하게 된다. 또한 이러한 현상을 관찰하므로써 제품의 세정효과, 흡착물성, 시간에 따른 고체물성의 변화등의 정보를 얻을 수 있다.

주 사용분야로는 반도체 공정의 세정 후 세정도 평가, 고분자 필름의 여러가지 화학적, 물리적 처리후의 표면개질효과 평가, 접착성능 평가등 고체표면의 물성이 중요한 여러가지 산업 전반에 광범위 하게 사용되고 있다.

또한 이러한 접촉각 측정값은 여러가지 이론적 공식에 적용되어 고체표면의 에너지(Surface Free Energy)를 계산 할 수 있다. 이렇게 계산된 표면에너지 값은 표면의 물성을 수치적으로 계산하여 여러가지 표면처리전 예측자료로 널리 사용된다.

 

실험 결과

1. 결과 data

3개의 액체(에탄올,에틸렌 글리콜,증류수)와 3개의 고체(ohp,테프론,슬라이드 글라스)로 Sessile Drop Contact Angle Method 실험을 진행하여 접촉각을 구했다.

 

1) ohp (단위는 degree) (표2)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
1	22.11	43.5	77.87
2	20.15	52.12	79.96
3	14.9	51.69	76.79
평균	19.05	49.1	78.19

 

2) 테프론(단위는 degree) (표3)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
1	33.81	46.96	102.75
2	오류	63.83	99.46
3	34.61	70.94	94.78
평균	34.21	60.57	98.99

 

3) 슬라이드 글라스(단위는 degree) (표4)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
1	5.99	25.47	63.33
2	4.85	28.28	66.4
3	6.88	24.17	63.89
평균	5.90	25.97	64.54

 

4) CosθY(접촉각) 값 (표5)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
ohp	0.945	0.655	0.205
테프론	0.827	0.491	-0.156
슬라이드 글라스	0.995	0.899	0.430

 

5) γSV의 값 (단위는 dyn/㎝) (표6)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
ohp	21.49	39.47	43.86
테프론	20.19	35.56	30.72
슬라이드 글라스	22.04	45.29	52.05

 

6) 식 3을 계산하여 나온 값을 식 1에 대입하면 γSL의 값 (단위는 dyn/㎝) (표7)

	에탄올	에틸렌 글리콜	증류수
ohp	0.61	8.23	28.94
테프론	1.91	12.14	42.08
슬라이드 글라스	0.06	2.41	20.75

 

토의 사항

1. 실험 고찰

표면의 화학적인 분포를 예상하기 위해 Sessile Drop Contact Angle Method을 통해 접촉각(표 5)을 구하고 Antonow의 법칙과 Young의 식을 결합하여(식3) 고체의 표면에너지 값(표 7)을 알았다.

표면에너지가 높다는 것은 두 상(phase)간의 인력 차가 크다는 것을 뜻한다. 표 7에서 제일 높은 수치를 가지고 있는 것은 테프론과 증류수이다. 테프론은 소수성이 높다는 것을 알 수 있으며 방수와 관련된 제품,공정에 이용할 수 있다. 측정값에 대한 오차 원인은 실험을 할 때 실험실의 온도가 정확히 20℃가 아니였으며 액체의 증발이나 고체의 흡수 등 다른 요인들이 많이 있었다.