KR101110329B1 - 접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법 - Google Patents

접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 액적의 계면 장력은 물론, 측정 대상 고체 표면에서 액적이 접할 때 형성되는 접촉각을 정확하고 간편하게 측정할 수 있도록 하는 접촉각 측정 모듈과, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 표면 에너지 측정 방법을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부는 아래 방향으로 개방되어 있으며, 중공부에 광학계를 구비하고, 측정 대상 고체의 표면에 배치되는 본체; 상기 본체의 상부로 부터 상기 본체의 중공부에 주사 바늘이 노출되도록 삽입되어 착탈 가능하게 고정되는 주사 유닛; 및 상기 주사 바늘의 단부와, 상기 주사 바늘의 하단부로부터 측정 대상 표면상에 낙하된 액적과, 상기 측정 대상 표면을 인식하여 컴퓨터로 전송하는 광학계를 포함하고, 상기 주사 유닛은 피스톤의 상하 방향 운동을 미세 조정할 수 있는 미세 조정 나사를 구비하고, 주사 유닛의 주사기 몸체에는 시료 액체가 담겨있어서, 사용자가 상기 미세 조정 나사를 회전시켜서 시료의 액적을 측정 대상 표면에 자유 낙하 시킬 수 있는 접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법을 제공한다.

Description

접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법{Contact angle measuring module, apparatus of measuring surface energy having the same, and method of measuring surface energy}
본 발명은 접촉각(contact angle) 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지(surface energy) 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대면적의 측정 대상에 대해서 간편하게 휴대하면서 측정하기에 용이하고, 보다 정밀한 측정이 가능한 접촉각 측정 모듈과, 이러한 접촉각 측정 모듈을 구비하여 간편하고 정확한 측정이 가능하며, 다양한 측정 이론을 사용자의 선택에 의해 적용 가능한 표면 에너지(surface energy) 측정 장치 및 이를 이용한 표면 에너지 측정 방법에 관한 것이다.
물질이 가지는 기체, 액체, 고체의 3가지 상태 중에서 서로 다른 2가지 상태의 물질이 서로 만났을 때 경계면의 넓이를 감소시키려고 하는 일반적인 힘을 계면 장력(interfacial tension)이라고 한다. 표면 장력과 거의 같은 의미로 사용되기도 하지만 엄밀하게는 표면 장력은 기체와 액체가 만나는 계면에서 작용하는 단위 길이당 힘을 의미하고, 계면 장력은 일반적인 용어이다. 한편, 고체와 기체(보다 엄밀하게는 원자의 이동이 없는 공간) 사이에 작용하는 힘은 표면 에너지로 지칭한다.
고체의 표면 에너지는 접착이나 점착의 중요한 지표가 된다. 이러한 표면 에너지의 값을 직접 측정하는 방법은 알려진 바 없으며, 오직 간접적인 측정 방법만이 개발되어 있다. 고체의 표면 에너지를 측정하는 알려진 방법들은 대부분 접촉각을 측정하고, 이를 바탕으로 표면 에너지를 계산해 낸다.
일반적으로 접촉각(contact angle)이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰 때 가지는 각을 말한다. 고체 표면에 있는 원자 또는 전자는 고체 내부에 있는 원자 또는 전자에 비하여 과다한 에너지를 갖고 있다. 이 표면에 액체가 접촉하면 이러한 과잉 에너지를 작게 하려는 힘이 작용한다. 보통의 고체 표면은 공기 중에 노출되어 있기 때문에 고체 표면에는 기체가 흡착되어 있다. 이때, 고체 표면에 액체가 접촉하면 흡착 기체가 밀려나고, 액체와 고체가 처음으로 접촉하게 되어 새로운 계면에 의해 자유 에너지의 변화가 일어난다.
기체, 액체 및 고체의 3상이 만나는 지점에서는 고체의 표면 에너지와 고체와 액체의 계면 장력이 작용하여 상기 액체가 접촉한 고체의 표면에 곡면을 갖는 액적을 형성하고, 고체와 액체 간에 접촉각이 형성하게 된다.
따라서 고체의 표면 에너지를 가장 직접적으로 조사하는 방법은 대상표면에 증류된 순수 물을 소량 떨어뜨린 후, 표면과의 상호작용을 통해 형성되는 물과 측정 대상 고체 표면 사이의 접촉각을 측정하는 방법이다. 접촉각을 측정하고, 액체의 계면 장력을 알고 있으면 공지의 계산 방법을 활용하여 표면 에너지를 계산할 수 있고, 표면의 활성화 정도인 친수성(높은 표면에너지=젖음성), 소수성(낮은 표면에너지=발수성), 접착성 및 청정성 등을 파악할 수 있다. 이와 같이 접촉각 측정을 통해 잉크의 젖음성에 의한 인쇄 성능향상, 발수성을 이용한 자동차용 왁스의 성능 개선, 액정 글라스 하드 디스크 등의 청정도 평가 등 여러 분야에서 제품의 성능을 개선할 수 있다. 또한, 이종물질의 복합화를 위한 최적의 계면조건 및 극소수화된(super-repellent) 표면 구현 등 첨단의 표면 과학 분야에서 상술한 고체의 표면 에너지 및 접촉각의 측정이 널리 이루어지고 있다.
그러나 종래의 표면 에너지 측정 장치는 다음과 같은 문제점이 있었다.
측정 장치에서 고체 시편을 배치하는 공간이 제한되어 있어서 디스플레이 패널의 제조에 널리 사용되는 대면적의 유리 기판과 같은 경우에는 표면 에너지의 직접적인 측정이 어려웠고 시편을 별도로 취하여 측정하여야 하는 어려움이 있었다.
또한, 장치의 세팅 작업에 시간과 노력이 많이 소요되고 장치의 사용이 불편한 단점이 있었고 정확한 측정이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 액적의 계면 장력은 물론, 측정 대상 고체 표면에서 액적이 접할 때 형성되는 접촉각을 정확하고 간편하게 측정할 수 있도록 하는 접촉각 측정 모듈과, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 표면 에너지 측정 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 휴대와 설치가 편리하고 대면적의 유리 기판과 같은 큰 측정 대상에 대해서도 별도로 고체 시편을 채취하지 않고 넓은 측정 대상에 직접 설치하여 간편하게 표면 에너지를 측정할 수 있는 접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 표면 에너지 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부는 아래 방향으로 개방되어 있으며, 중공부에 광학계를 구비하고, 측정 대상 고체의 표면에 배치되는 본체;
상기 본체의 상부로 부터 상기 본체의 중공부에 주사 바늘이 노출되도록 삽입되어 착탈 가능하게 고정되는 주사 유닛; 및
상기 주사 바늘의 단부와, 상기 주사 바늘의 하단부로부터 측정 대상 표면상에 낙하된 액적과, 상기 측정 대상 표면을 인식하여 컴퓨터로 전송하는 광학계를 포함하고,
상기 주사 유닛은 피스톤의 상하 방향 운동을 미세 조정할 수 있는 미세 조 정 나사를 구비하고, 주사 유닛의 주사기 몸체에는 시료 액체가 담겨있어서, 사용자가 상기 미세 조정 나사를 회전시켜서 시료의 액적을 측정 대상 표면에 자유 낙하 시킬 수 있는 접촉각 측정 모듈을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 주사 유닛은,
주사기 몸체, 상단 캡, 미세 조절 나사, 회전 방지 돌기 및 고정구를 포함하고,
상기 주사기 몸체는 내부에 액체 시료를 담고 있고, 통상의 주사기와 같이 피스톤의 상하 운동에 의해 하단부에 설치된 주사 바늘을 통해 액체를 분사하며,
상기 주사기 몸체의 상단에는 상단 캡이 주사기 몸체에 고정되도록 설치되고,
상기 상단 캡에는 상단 캡을 관통하는 나사 체결공이 형성되어 있어서, 이 나사 체결 공을 통해 미세 조절 나사가 피스톤에 연결되며,
상기 미세 조절 나사를 회전시키면 상기 상단 캡에 대해 상하 방향으로 피스톤이 이동하게 되고, 이러한 피스톤의 운동에 따라 주사기 몸체 내부의 액체가 주사 바늘을 통해 분사될 수 있고,
상기 회전 방지 돌기는 주사기 몸체에 결합되어 설치되는 것으로, 주사 유닛이 본체에 삽입 고정된 후 미세 조절 나사를 회전시켜도 주사기 몸체가 회전하지 않을 수 있도록, 상기 주사 유닛이 상기 본체에 삽입될 때, 상기 회전 방지 돌기는 본체의 회전 방지 홈에 안착되며,
상기 주사 유닛이 상기 본체에 삽입된 후에는 고정구를 본체 상측에 형성된 주사 유닛 삽임 홈 주위의 나사산에 결합시켜서 상기 주사 유닛이 상기 본체에 고정되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 광학계는,
본체 내부의 차단된 공간에 백색광을 비추는 LED 소자;
상기 LED 소자에서 방출된 빛을 균일하게 산란되도록 하는 산란 렌즈; 및
상기 주사 유닛에 의해 측정 대상 표면에 낙하된 액적의 영상을 인식하는 카메라를 포함할 수 있다.
또한, 여기서 상기 광학계는,
측정 대산 고체 표면에 놓은 액적의 영상을 반사하여 카메라 측으로 향하게 하는 반사경을 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서 상기 광학계는,
상기 본체에 회전 가능하게 결합되어 상기 액적의 영상이 카메라에 인식되는 범위를 조절하는 광량 조절 플레이트를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 본체에는 상기 주사 유닛 수용부가 배치되고, 상기 주사 유닛 수용부의 내측에 상기 주사 유닛이 삽입되며, 상기 주사 유닛의 하부 외측과 상기 주사 유닛 수용부의 하단부 내측 사이에는 스프링이 설치될 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 앞서 언급한 특징을 구비하는 하나의 접촉각 측정 모듈; 및
상기 광학계로부터 전송된 영상을 디스플레이 하고 표면 에너지를 계산하는 컴퓨터 시스템을 포함하는 표면 에너지 측정 장치를 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 측정 대상 고체 표면에 측정 온도와 대기압에서의 표면 장력이 알려진 액적을 자유 낙하시키는 주사 유닛과, 주사 유닛의 하단부로부터 측정 대상 고체 표면상의 액적의 영상을 인식하여 컴퓨터 화면상에 디스플레이 할 수 있도록 하는 광학계와, 상기 광학계와 연결된 컴퓨터를 포함하는 표면 에너지 측정 장치를 이용한 표면 에너지 측정 방법으로,
컴퓨터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛으로부터 측정 대상 고체 표면에 액적을 자유 낙하시키는 단계;
측정 대상 고체 표면에 자유 낙하된 액적의 영상으로부터 측정 대상 고체 표면과 액적과 대기가 만나는 지점에서의 접촉각을 구하는 단계; 및
액적의 표면 장력과, 위에서 구한 접촉각을 공지의 관계식에 대입하여 고체의 표면 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 표면 에너지 측정 방법을 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 액체 시료를 담고 있는 주사 유닛과, 주사 유닛의 하단부로부터 측정 대상 고체 표면상의 액적의 영상을 인식하여 컴퓨터 화면상에 디스플레이 할 수 있도록 하는 광학계와, 상기 광학계와 연결된 컴퓨터를 포함하는 표면 에너지 측정 장치를 이용한 표면 에너지 측정 방법으로,
컴퓨터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛의 하단부에 시료 액체의 액적이 매달린 상태로 유지하는 단계;
액적의 영상을 인식하여 시료 액체의 계면 장력을 측정하는 단계;
상기 액적을 측정 대상 고체 표면으로 자유 낙하시키는 단계;
측정 대상 고체 표면에 자유 낙하된 액적의 영상으로부터 측정 대상 고체 표면과 액적과 대기가 만나는 지점에서의 접촉각을 구하는 단계; 및
액적의 표면 장력과, 위에서 구한 접촉각을 공지의 관계식에 대입하여 고체의 표면 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 표면 에너지 측정 방법을 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 액체 시료를 담고 있는 주사 유닛과, 주사 유닛의 하단부로부터 측정 대상 고체 표면상의 액적의 영상을 인식하여 컴퓨터 화면상에 디스플레이 할 수 있도록 하는 광학계와, 상기 광학계와 연결된 컴퓨터를 포함하는 표면 에너지 측정 장치를 이용한 표면 에너지 측정 방법으로,
컴퓨터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛의 하단부에 시료 액체의 액적이 매달린 상태로 유지하는 단계;
상기 주사 유닛을 하강시켜 액적이 측정 대상 고체의 표면에 접하도록 하는 단계;
표면에 접한 액적의 영상을 인식하여 시료 액체와 측정 대상 고체 표면 사이의 동접촉각을 측정하는 단계; 및
액적의 표면 장력과, 위에서 구한 동접촉각을 고려하여 고체의 표면 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 표면 에너지 측정 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 접촉각 측정 모듈, 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치 및 표면 에너지 측정 방법은 다음과 같은 여러 가지 장점을 가진다.
첫째, 휴대가 간편하고 설치가 간편하여 측정 대상 고체의 크기가 크더라도 이와 무관하게 편리하게 표면 에너지를 측정할 수 있다.
둘째, 간단히 주사 유닛을 교체할 수 있어서 시료 액체를 변경하는 경우에도 별도의 세척 작업이 필요 없이 편리하게 측정 작업을 수행할 수 있다.
셋째, 알려진 여러 가지 표면 에너지 측정 방법을 사용자가 적절히 선택하여 표면 에너지를 측정할 수 있고, 보다 정확한 측정이 가능하다.
넷째, 반사경을 사용하여 측정 장치의 크기를 더욱 작게 제작이 가능하다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 따른 접촉각 측정 모듈의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 접촉각 측정 모듈(100)은 외부의 빛이 내부의 광학계에 비추는 것을 차단하는 본체(110), 상기 본체(110)에 착탈 가능하게 설치되는 주사 유닛(150) 및 상기 본체(110)의 내부에 설치되는 광학계를 포함한다.
상기 본체(110)는 접촉각 측정 대상인 고체 표면에 설치될 수 있도록 휴대 가능한 크기로 만들어지며, 평평한 표면에 놓일 수 있도록 하부의 최 하단부의 테두리가 평평하게 형성된다.
상기 주사 유닛(150)은 주사기 몸체(151), 상단 캡(155), 미세 조절 나사(152), 회전 방지 돌기(153) 및 고정구(180)를 포함한다. 상기 주사기 몸체(151)는 내부에 액체 시료를 담고 있고, 통상의 주사기와 같이 피스톤의 상하 운동에 의해 하단부에 설치된 주사 바늘(154)을 통해 액체를 분사한다. 상기 주사기 몸체(151)의 상단에는 상단 캡(155)이 주사기 몸체(151)에 고정되도록 설치된다. 상기 상단 캡(155)에는 상단 캡(155)을 관통하는 나사 체결공이 형성되어 있고, 이 나사 체결 공을 통해 미세 조절 나사(152)가 피스톤에 연결된다. 상기 미세 조절 나사(152)를 회전시키면 상기 상단 캡(155)에 대해 상하 방향으로 피스톤이 이동하게 되고, 이러한 피스톤의 운동에 따라 주사기 몸체(151) 내부의 액체가 상기 주사 바늘(154)을 통해 분사될 수 있다. 상기 회전 방지 돌기(153)는 주사기 몸체(151)에 결합되어 설치되는 것으로, 주사 유닛(150)이 본체(110)에 삽입 고정된 후 미세 조절 나사(152)를 회전시켜도 주사기 몸체(151)가 회전하지 않을 수 있도록 하는 기능을 한다.
상기 본체(110)의 상부에는 주사 유닛 고정부(104)가 형성되어 있다. 상기 주사 유닛(150)이 상기 주사 유닛 고정부(104)에 형성된 주사 유닛 삽입용 관통공(101)을 통해 상기 본체(110)에 삽입될 때, 상기 회전 방지 돌기(153)는 본체(110)의 회전 방지 홈(102)에 안착된다. 상기 주사 유닛(150)이 상기 본체(110)에 삽입된 후에는 고정구(180)를 본체(110) 상측에 형성된 주사 유닛 삽입용 관통공(101) 주위의 나사산에 결합시켜서 상기 주사 유닛(150)이 상기 본체(110)에 고정되도록 한다. 상기 주사 유닛(150)은 상기 본체(110)에 삽입 배치되어 상기 본 체(110) 내부에서 접촉각 측정 대상 표면에 액체 시료를 소량 분사하는 기능을 한다.
상기 본체(110)에는 주사 유닛 수용부(156)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 주사 유닛 수용부(156)는 도 2에 도시된 것과 같이 상기 본체(110)의 내측에 배치된 부재일 수 있고, 상기 주사 유닛(150)이 본체 내측으로 삽입될 때 이를 수용하는 기능을 한다. 상기 주사 유닛 수용부(156)의 하단에는 주사 바늘(154)이 통과할 수 있는 관통공이 형성되어 있고, 상기 주사 유닛(150)을 사용자가 위에서 누르는 경우에는 상기 주사 바늘(154)이 측정 대상 고체의 표면까지 하강할 수 있다. 사용자가 누르는 힘을 제거하면, 스프링(159)의 탄성력에 의해 상기 부사 유닛은 원위치로 복귀한다. 상기 스프링(159)은 상기 주사 유닛(150)의 하부 외측과 상기 주사 유닛 수용부(156)의 하단부 내측의 사이에 위치할 수 있다. 이러한 주사 유닛 수용부(156) 및 스프링(159)의 구성에 의한 주사 유닛(150)의 하강 및 복귀 동작은 이후에 설명할 동접촉각 측정에 사용된다.
상기 광학계의 구성은 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 상기 광학계는, 본체(110) 내부의 차단된 공간에 백색광을 비추는 LED 소자(190), 상기 LED 소자(190)에서 방출된 빛을 균일하게 산란되도록 하는 산란 렌즈(160), 상기 주사 유닛(150)에 의해 측정 대상 표면에 낙하된 액적의 영상을 인식하는 카메라(121), 상기 액적의 영상을 상기 카메라(121)에서 인식할 수 있도록 영상을 반사하는 반사경(130)을 포함한다.
상기 LED 소자(190)는 백색 LED 소자가 사용될 수도 있고, 적, 록, 청의 LED 소자가 함께 사용되어 백색광을 내도록 할 수도 있다. 상기 LED 소자로 백색 LED 소자를 사용하는 경우에는 도 2의 지면 깊이 방향으로 2개 이상의 LED 소자를 배열하여 사용할 수 있다.
상기 산란 렌즈(160)는 LED 소자(190)에서 나오는 빛을 산란시켜서 카메라에서 인식되는 액적과 측정 대상 고체 표면의 배경을 백색광의 밝은 화면이 되도록 한다.
상기 카메라(121)는 CMOS 카메라가 사용될 수 있으며, 상기 산란 렌즈(160)를 배경으로 액적(10)과 측정 대상 고체 표면의 영상을 컴퓨터로 전송하는 기능을 한다.
상기 반사경(130)은 상기 액적(10)과 측정 대상 고체 표면의 화상을 인식하는 광경로를 변경하여 상기 카메라(121)로 향하게 하는 기능을 하는 것이다. 상기 반사경을 사용함으로써 전체 접촉각 측정 모듈(100)을 보다 콤팩트하게 제작할 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 것과 같이, 측정 대상 고체의 표면에 놓인 액적(10)과 상기 산란 렌즈(160)의 사이에는 광량 조절판(170)이 배치될 수 있다. 상기 광량 조절판(170)은 본체(110) 외부에서 회전시킬 수 있는 광량 조절 나사(103)(도 1 참조)에 의해 회동하면서 상기 카메라(121)에서 인식되는 LED 소자(190)의 빛의 양을 조절한다.
이상에서 설명한 접촉각 측정 모듈(100)은 실제 상업적으로는 컴퓨터에 설치하여 구동되는 소프트웨어와 함께 판매될 수 있다. 본 발명에서 언급하는 표면 에 너지 측정 장치는 본 발명의 접촉각 측정 모듈(100)과 함께 컴퓨터에 설치되어 활용되는 소프트웨어를 포함하는 의미로 사용된다. 실제에 있어서 표면 에너지 측정 장치는 소프트웨어의 실행과 연산을 수행하는 컴퓨터 자체와 측정 데이터 등을 디스플레이 하는 모니터를 포함하는 컴퓨터 시스템과 함께 사용될 수 있다.
상기 컴퓨터 시스템은 상기 광학계로부터 전송된 영상을 디스플레이 하고 표면 에너지를 계산한다. 상기 컴퓨터 시스템은 광학계의 영상과, 소프트웨어에서 제공하는 각종 메뉴나 계산 결과를 디스플레이 할 수 있는 모니터를 포함한다. 또한, 광학계의 영상으로부터 접촉각, 동접촉각, 시표 액체의 계면 장력 등을 계산할 수 있는 소프트웨어와, 접촉각, 동접촉각, 시료 액체의 계면 장력 등의 정보로부터 측정 대상 고체의 표면 에너지를 계산할 수 있는 소프트웨어를 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 접촉각 측정 모듈 및 이를 구비한 표면 에너지 측정 장치를 사용하여 고체 표면의 표면 에너지를 측정하는 방법에 대해 간단히 설명한다.
도 3에는 본 발명의 표면 에너지 측정 장치의 활용을 위해 컴퓨터상에서 실행되는 프로그램의 캡처 화면이 도시되어 있다. 도 3에 도시된 각각의 메뉴, 윈도우에 대한 설명은 아래와 같다.
A. Menu bar : 측정방법, 아이콘 표시, 환경설정, 계산기 기능 제공
B. Icon Menu Bar : 이미지, 데이터 불러오기, 이미지 저장, 환경 설정, 교 정, 계산기, 표면에너지 측정 기능 제공
C. Live Windows : 실시간으로 나타나는 영상 이미지 디스플레이
D. Analysis Windows : 측정된 결과의 영상 이미지 디스플레이
E. View Windows : 데이터 파일, 물방울 기울기의 정보를 나타내고, 측정 방법을 자동 또는 수동 중에서 선택하는 기능을 제공
F. Option Windows : 매뉴얼 측정 데이터를 나타내고, 액상의 표면장력 측정 기능을 선택할 수 있도록 함
G. Graph Windows : 측정된 값이 그래프에 디스플레이
H. Data Windows : 측정된 접촉각이 표시되며 엑셀파일로 저장하는 기능을 제공
I. Control icon bar : 소프트웨어 운영 및 측정 기능 등을 제공
위와 같은 기능을 제공하는 소프트웨어를 사용하여 아래와 같이 표면 에너지를 측정할 수 있다.
먼저, 측정 대상인 고체의 표면 위에 본 발명의 측정 장치의 본체(110)를 위치시킨다. 상기 본체(110) 내에 설치된 카메라는 주사 유닛(150)의 하단부로부터 측정 대상 고체의 표면의 모습을 연결된 컴퓨터의 화면에서 라이브 윈도우 창에 디스플레이 한다.
준비된 시료를 주사 유닛(150)의 주사기 몸체(151)에 담고, 주사 유닛(150)을 본체(110)에 삽입 고정한다. 주사 유닛(150)은 액체 시료마다 새로운 것을 사 용하는 것이 바람직하다. 액체 시료를 교체하는 과정에서 동일한 주사 유닛(150)을 사용하는 경우에는, 측정의 정확성이 현저히 떨어질 수 있기 때문에 바람직하지 않으며, 불가피할 경우에는 주사 유닛(150)을 깨끗이 세척한 후에 다른 액체 시료를 담도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 접촉각 측정 모듈의 경우에는 주사 유닛(150)의 교체가 용이한 구조를 가지기 때문에 한 가지 액체 시료를 사용한 후에 다른 액체 시료에 대해 측정 작업을 수행할 때에 편리하다.
액체 시료의 계면 장력의 값을 주어진 온도, 압력 조건에서 파악하고 있는 경우에는 해당 값을 컴퓨터에 반영하여 최종 표면 에너지 값 계산에 활용할 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 본 발명의 접촉각 측정 모듈과 표면 에너지 측정 장치를 사용하여 계면 장력을 측정할 수 있다.
컴퓨터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛(150)의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛(150)의 하단부에 시료 액체의 액적이 매달린 상태로 유지한 후, 액적의 영상을 인식하여 액체 시료의 계면 장력을 측정할 수 있다.
즉, 도 4에는 본 발명의 표면 에너지 측정 장치에서 컴퓨터 화면 상에 디스플레이 된 조사 유닛 단부의 액체 시료의 액적의 모습을 보여주는 캡처 화면이 도시되어 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 라이브 윈도우 창으로 주사기 하단부의 액적의 크기를 보면서 액적이 주사기 단부에 매달리도록 미세 조절 나사(152)를 조절할 수 있다. 또한, 액적이 주사기 단부에 형성된 상태에서 미세 조절 나사(152)의 회전을 멈추고, 오른 쪽의 분석 윈도우 창에서 액적의 영상에서 필요한 정보를 읽어 들 일 수 있다. 화면을 인식하여 읽어 들인 정보를 바탕으로 공지의 펜던트 드랍(pendant drop) 방식의 계면 장력 측정 방법을 이용하면 액체 시료의 계면 장력을 계산할 수 있다. 공지의 펜던트 드랍 방식의 계면 장력 측정 방법에 대해서는 아래의 논문에 기재되어 있다.
"Use of the pendant drop method to measure interfacial tension between molten polymers", Materials Research, Vol. 2, No. 1, 23-32, 1999. Emerson Y. Arashiro, Nicole R. Demarquette.
액체 시료의 계면 장력을 모르는 경우에는 위와 같이 먼저 계면 장력을 측정하지만, 이미 계면 장력이 알려진 액체 시료를 사용하기로 하는 경우에는 다음 단계로 넘어간다.
주사 유닛(150)의 미세 조절 나사(152)를 수동으로 서서히 회전시키면서 주사 바늘을 통해 시료 액체가 자유 낙하하여 고체 표면에 떨어지도록 한다. 고체 표면에 떨어진 액적은 고체 표면과 소정의 각도를 이룬 상태로 평형에 도달한다. 이 때 이 상태의 화면은 컴퓨터의 화면에서 분석 윈도우 창에 디스플레이 되고, 분석 윈도우 창에 개시된 화면으로부터 접촉각의 측정이 가능하다. 접촉각과 액체 시료의 계면 장력을 알고 있는 경우에는 공지의 식을 활용하여 고체의 표면 에너지를 계산할 수 있다.
예를 들어, 다음의 수학식 1에 기재된 (i) Young's equation을 이용할 수도 있고, 다음의 수학식 2에 기재된 (ii) Good- Girifalco Method를 이용할 수 있다.
[수학식 1]
γLV cosθ = γSV - γSL
여기서, γLV는 액체와 기체 사이의 계면 장력, θ는 접촉각, γSV는 고체와 기체 사이의 표면 에너지, γSL는 고체와 액체 사이의 계면 장력을 의미한다.
[수학식 2]
γs=γLV(1+cosθ)2/4φ, (φ=1)
여기서, γs는 고체의 표면 에너지, γLV는 액체와 기체 사이의 계면 장력, θ는 접촉각을 의미한다.
그밖에도 공지된 (iii) Fowkes' Method, (iv) Owens, Wendt, 와 Kaelble's Method (2액 Geometric method), (v) Wu's Method (2액 Harmonic method), (vi) Lifshitz-van der Waals Acid-Base Theory(3액 Acid-Base method) 등을 이용할 수 있다. 본 발명의 측정 장치에서는 각각의 표면 에너지 측정 방법의 특성을 고려하여 사용자가 자신이 적용하기 원하는 방법을 선택할 수 있도록 한다.
본 발명의 표면 에너지 측정 장치에서는 화면의 영상을 인식하여 자동으로 고체와 액체 사이의 계면에 대응하는 선을 긋고, 이 선을 기준으로 액적과 고체 및 기체가 만나는 지점에서의 접촉각을 컴퓨터에서 자동으로 계산하도록 할 수 있고, 경우에 따라서는 컴퓨터 화면상의 영상에서 고체와 액체 사이의 계면에 해당하는 선을 수동으로 긋고 각도기를 컴퓨터의 화면에 대고 육안으로 측정할 수도 있다. 또한, 컴퓨터 화면 상에서 이동이 가능한 각도기의 영상을 삽입하여 이를 3가지 상이 만나는 지점에 이동시켜 각도를 측정할 수도 있다. 이러한 의미에서 본 발명의 권리범위는 접촉각의 자동 계산 알고리즘을 포함하는 컴퓨터(연산장치)를 포함하지 않은 경우도 권리범위에 속할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 표면 에너지 측정 장치를 사용하여 동접촉각을 측정하는 방법에 대해 설명한다.
도 5에는 본 발명의 표면 에너지 측정 장치에서 동접촉각을 측정하는 방법을 보여주는 컴퓨터 모니터 화면의 캡처 뷰가 도시되어 있다.
도 5에서 왼쪽에 도시된 것과 같이, 주사 바늘(154) 단부에 액적이 맺히도록 하고, 그 다음 주사 바늘(154)을 하강시켜서 액적이 측정 대상 고체 표면에 접하도록 한다. 액적은 측정 대상 고체 표면에 닿으면 고체 표면에서 퍼지는 현상이 발생한다. 이 상태의 영상을 상기 컴퓨터로 전송할 수 있고, 이 영상에서 액적과 측정 대상 고체 표면이 이루는 각도를 측정하면 이것이 곧 동접촉각이 된다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 접촉각 측정 모듈의 외관을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 접촉각 측정 모듈의 내부 구성을 개략적으로 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 표면 에너지 측정 장치의 활용을 위해 컴퓨터상에서 실행되는 프로그램의 캡처 뷰.
도 4는 본 발명의 표면 에너지 측정 장치에서 컴퓨터의 모니터 상에 디스플레이 된 주사 바늘 하단부의 액체 시료의 액적의 모습을 보여주는 캡처 뷰.
도 5는 본 발명의 표면 에너지 측정 장치에서 동접촉각을 측정하는 방법을 보여주는 컴퓨터 모니터 화면의 캡처 뷰.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 액적 100: 접촉각 측정 모듈
103: 광량 조절 나사 104: 주사 유닛 고정부
110: 본체 121: 카메라
130: 반사경 150: 주사 유닛
151: 주사기 몸체 152: 미세 조절 나사
153: 회전 방지 돌기 154: 주사 바늘
155: 상단 캡 156: 주사 유닛 수용부
159: 스프링 160: 산란 렌즈
170: 광량 조절판 190: LED 램프
180: 고정구

Claims (10)

  1. 내부에 중공부가 형성되고, 상기 중공부는 아래 방향으로 개방되어 있으며, 중공부에 광학계를 구비하고, 측정 대상 고체의 표면에 배치되는 본체;
    상기 본체의 상부로 부터 상기 본체의 중공부에 주사 바늘이 노출되도록 삽입되어 착탈 가능하게 고정되는 주사 유닛; 및
    상기 주사 바늘의 단부와, 상기 주사 바늘의 하단부로부터 측정 대상 표면상에 낙하된 액적과, 상기 측정 대상 표면을 인식하여 컴퓨터로 전송하는 광학계를 포함하고,
    상기 주사 유닛은 피스톤의 상하 방향 운동을 미세 조정할 수 있는 미세 조정 나사를 구비하고, 주사 유닛의 주사기 몸체에는 시료 액체가 담겨있어서, 사용자가 상기 미세 조정 나사를 회전시켜서 시료의 액적을 측정 대상 표면에 자유 낙하 시킬 수 있으며,
    상기 본체에는 상기 주사 유닛 수용부가 배치되고, 상기 주사 유닛 수용부의 내측에 상기 주사 유닛이 삽입되며, 상기 주사 유닛의 하부 외측과 상기 주사 유닛 수용부의 하단부 내측 사이에는 스프링이 설치되어서, 사용자가 상기 주사 유닛에 힘을 가하면 상기 주사 유닛의 하단부가 측정 대상 고체 표면에 닿을 때까지 이동 가능하고, 사용자가 가한 힘이 제거되면 원위치로 복귀 가능한 접촉각 측정 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주사 유닛은,
    주사기 몸체, 상단 캡, 미세 조절 나사, 회전 방지 돌기 및 고정구를 포함하고,
    상기 주사기 몸체는 내부에 액체 시료를 담고 있고, 통상의 주사기와 같이 피스톤의 상하 운동에 의해 하단부에 설치된 주사 바늘을 통해 액체를 분사하며,
    상기 주사기 몸체의 상단에는 상단 캡이 주사기 몸체에 고정되도록 설치되고,
    상기 상단 캡에는 상단 캡을 관통하는 나사 체결공이 형성되어 있어서, 이 나사 체결 공을 통해 미세 조절 나사가 피스톤에 연결되며,
    상기 미세 조절 나사를 회전시키면 상기 상단 캡에 대해 상하 방향으로 피스톤이 이동하게 되고, 이러한 피스톤의 운동에 따라 주사기 몸체 내부의 액체가 주사 바늘을 통해 분사될 수 있고,
    상기 회전 방지 돌기는 주사기 몸체에 결합되어 설치되는 것으로, 주사 유닛이 본체에 삽입 고정된 후 미세 조절 나사를 회전시켜도 주사기 몸체가 회전하지 않을 수 있도록, 상기 주사 유닛이 상기 본체에 삽입될 때, 상기 회전 방지 돌기는 본체의 회전 방지 홈에 안착되며,
    상기 주사 유닛이 상기 본체에 삽입된 후에는 고정구를 본체 상측에 형성된 주사 유닛 삽임 홈 주위의 나사산에 결합시켜서 상기 주사 유닛이 상기 본체에 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학계는,
    본체 내부의 차단된 공간에 백색광을 비추는 LED 소자;
    상기 LED 소자에서 방출된 빛을 균일하게 산란되도록 하는 산란 렌즈; 및
    상기 주사 유닛에 의해 측정 대상 표면에 낙하된 액적의 영상을 인식하는 카 메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학계는,
    측정 대산 고체 표면에 놓은 액적의 영상을 반사하여 카메라 측으로 향하게 하는 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광학계는,
    상기 본체에 회전 가능하게 결합되어 상기 액적의 영상이 카메라에 인식되는 범위를 조절하는 광량 조절 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉각 측정 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 접촉각 측정 모듈; 및
    상기 광학계로부터 전송된 영상을 디스플레이 하고 표면 에너지를 계산하는 컴퓨터 시스템을 포함하는 표면 에너지 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항의 표면 에너지 측정 장치를 이용한 표면 에너지 측정 방법으로,
    시료의 계면 장력을 모르는 경우, 컴퓨터에 연결된 모니터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛의 하단부에 시료 액체의 액적이 매달린 상태로 유지하고, 상기 액적의 영상을 인식하여 시료 액체의 계면 장력을 측정하는 단계;
    상기 액적을 측정 대상 고체 표면으로 자유 낙하시키는 단계;
    측정 대상 고체 표면에 자유 낙하된 액적의 영상으로부터 측정 대상 고체 표면과 액적과 대기가 만나는 지점에서의 접촉각을 구하는 단계; 및
    액적의 계면 장력과, 위에서 구한 접촉각을 공지의 관계식에 대입하여 고체의 표면 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 표면 에너지 측정 방법.
  10. 제7항의 표면 에너지 측정 장치를 이용한 표면 에너지 측정 방법으로,
    컴퓨터에 연결된 모니터 화면상의 라이브 윈도우에서 주사 유닛의 하단부의 영상을 보면서 주사 유닛의 하단부에 시료 액체의 액적이 매달린 상태로 유지하는 단계;
    시료의 계면 장력을 모르는 경우, 상기 액적의 영상을 인식하여 시료 액체의 계면 장력을 측정하는 단계;
    상기 주사 유닛을 하강시켜 액적이 측정 대상 고체의 표면에 접하도록 하는 단계;
    표면에 접한 액적의 영상을 인식하여 시료 액체와 측정 대상 고체 표면 사이의 동접촉각을 측정하는 단계; 및
    액적의 계면 장력과, 위에서 구한 동접촉각을 고려하여 고체의 표면 에너지를 계산하는 단계를 포함하는 표면 에너지 측정 방법.
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