[TOKI SANGYO] 점도 칼럼 – 3. 점도 측정의 과학
유동학의 중요성
1편과 2편 컬럼에서는 점도를 조절하는 것이 얼마나 우리의 생활과 사회 안에서 의미를 가지는지에 대해 일상에서의 화제를 통해 살펴봤습니다. 점도가 극히 중요한 역할을 담당하는 유동학은 물질의 유동과 변형을 다루는 과학으로 여겨집니다. 그 연구는 공업 분야에서는 폴리머 및 도료, 잉크 등, 바이오 분야에서는 생체나 음식 및 천연섬유 등에 대한 개발에서 현재 주요 기술로 자리잡았습니다. 참고로 유동학을 뜻하는 레올로지(rheology)의 rheo는 흐름이라는 뜻의 그리스어입니다.
유동학은 때때로 “기초 연구와 응용 개발을 연결한다”는 표현을 사용할 때가 있습니다. 현재, 물질 단체의 화학 특성을 밝혀내는 기술은 비약적으로 발전하고 있습니다. 따라서 A라는 특성을 가진 물질, B라는 특성을 가진 물질, C라는 특성을 가진 물질… 이런 물질들을 합성하여 새로운 특성을 만들어내려는 시도를 자연스럽게 진전하고 있습니다. 완전하게 새로운 특성을 가진 물질의 개발이 획기적인 공업제품 개발의 열쇠가 되는 경우가 종종 있습니다.
이러한 새로운 특성을 가진 물질을 응용할 때는 기능을 특정하거나, 실제로 제조 라인에 반영하기 위해서도 그 물리적 성질을 파악하는 것이 대단히 중요합니다. 이것이 바로 유동학의 활약이 기대되는 이유입니다. 그러나 현실적으로 점도 및 점탄성과 같은 유동학의 지표는 정확하게 판단하기 어렵습니다. 아래 정리한 바와 같이 그 측정에는 정확한 전문지식과 기술이 필요합니다.
점도 측정은 매우 어렵다?
페인트이거나, 음식의 질감이거나, 실용에 가장 적합한 점도인지 확인하는 것뿐이라면 실제로 테스트하면 바로 알 수 있습니다. 그러나 이러한 것은 항상 일정한 조건에서 사용되는 것이 아닙니다. 사용자(먹는 사람)의 힘의 정도에 따라, 또는 사용하는(먹는) 장소나 그 때의 온도, 사용하는 기기의 종류 등에 따라 페인트의 흐르는 정도나 음식의 식감이 바뀌어 버립니다. 이것을 달리 말하면 점도 측정의 어려움이 부딪치는 막다른 골목과도 같습니다. 물성에 대한 지식이 없거나 적절하지 않는 측정 방법을 쓰면 완전히 목적에서 벗어난 결과가 나올지도 모릅니다.
그렇다면, 점도 측정에 관하여 액체의 유동학을 토대로 간단하게 정리해봅시다. 점도란, ‘액체의 흐름 저항성 또는 끈기의 정도를 나타내는 물질 정수’로, 이것을 점성률(coefficient of viscosity) 또는 점도라고 합니다. 힘을 가하여 흐르게 할 때 내부에 마찰이 생겨서 멈춰버리는, 즉 밀어내는 힘에 저항하는 성질이 점성입니다. (점도 = 전단응력/전단속도) 이러한 물성을 측정할 때에 액체의 흐르는 속도나 밀어내는 힘에 따라 변화하지 않고, 어떠한 측정 방법을 써도 동일한 점도값을 얻을 수 있는 것(점도가 전단 속도와 시간에 의존하지 않는 유체)을 ‘뉴턴 유체’ 또는 ‘뉴턴성 유체’라고 합니다. 물이나 벤젠 등의 저분자 액체는 일반적으로 뉴턴 유체로 간주됩니다. 식으로 나타내면 ｓ＝ηＤ로 표기할 수 있습니다. (s: 전단응력, η: 뉴턴 점도, Ｄ: 전단 속도)
▼전단 속도
전단 속도는 전단 변형의 시간적 변화를 나타내는 것으로, 변형 속도의 일종입니다. 전단 방향의 단위 거리 당 속도 변화, 즉 유속 기울기를 의미합니다.
▼전단 응력
전단 응력은 전단 유동면의 단위 면적 당 작용하는 힘을 의미합니다.
그런데, 액체에 모두 이 방정식으로 풀이할 수 있는 것이 아닙니다. 오히려 산업 분야에서 유용하다고 여겨지는 고분자 액체는 그 대부분이 이 방정식에 안 맞는다고 볼 수 있습니다. 왜 안 맞는 걸까요? 예를 들어 점도가 전단 속도, 시간에 따라 변화합니다. 이러한 유체를 ‘비뉴턴성 유체’라고 합니다.” 페인트칠로 예를 들면 브러시를 움직이는 속도 (전단 속도)에 따라 페인트는 점도가 낮아져서 수월하게 발립니다. 바른 후에는 전단 속도가 0이 되므로 고점도로 돌아갑니다. 이러한 성질에 따라 수월하게 발리고, 잘 흘러내리지 않는 것 모두 성립될 수 있습니다. 페인트와 같이 일정 전단 속도에서 겉보기 점도가 시간과 함께 감소하고, 전단 응력을 제거하면 점점 복원하는 성질을 ‘요변성’이라고 합니다. (자세한 내용은 1편을 참조) 요변성과는 반대로 일정 전단 속도에서 겉보기 점도가 증가하는 성질을 ‘레오펙시 (rheopexy)’라고 합니다. 비뉴턴성 유체에는 시간에 의존한 유동 특성을 가진 상기 2가지 이외에도 유사소성, 팽창 (dilatant), 소성 (빙햄, 비빙햄) 등이 있습니다.
풍부한 측정 노하우를 꼭 활용하세요.
대상이 뉴턴 유체인지 비뉴턴 유체인지, 비뉴턴 유체라도 어떠한 성질을 가진 물질인지, 유동학 측정에서는 확실하게 그것을 밝혀내야만 합니다. 검사 방법, 측정 기기, 조건 설정 등을 적정하게 준비하지 않으면 정확한 결과를 얻을 수 없을 뿐 아니라 상당히 많은 시간이 소요될 수도 있습니다. 앞에서 서술한 바와 같이 소재의 유동성(점도)을 적절하게 관리하는 것은 현재의 주요 산업, 크게는 우리의 생활에 빼놓을 수 없는 기술입니다. 그리고 현재 젤을 시작으로 콜로이드 및 고분자인 유용성이 높은 원료의 종류는 액체 흐름의 저항성, 또는 끈기 정도를 다루는 것뿐만 아니라 동시에 점탄성도 조절해야 합니다. 더욱 정도 높은 유동학 측정을 도입한다면 레오미터, 혹은 특히 식품 질감 측정에 식품 물성 시험기(creep meter) 등을 사용하는 것이 효과적인 검증 (결과 획득)에 필요한 경우도 있습니다.
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출처: TOKI SANGYO 홈페이지 (https://tokisangyo.co.jp/post3/)
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