제타전위

제타전위(zeta potential)는 입자 사이의 반발력이나 인력의 크기에 대한 파라미터 로서 정전기 분산을 제어하는 데 중요한 요소이다. 즉 제타전위 값이 크다면 입자들 간의 반발력이 크고 안정하다 할 수 있고, 작으면 응집력이 큰 것이라고 할 수 있다. 입자의 전하는 자유 이온들에 부착하여 전기 중층2 (electric double layer)이라고 부르 는 전자구름을 만든다. 전기 중층을 통한 전압의 감소는 콜로이드2 (colloid)에 대한 중 요한 변수이다. 제타전위의 감소는 콜로이드 성질에 의존하여 변한다. 가령 콜로이드 에 염을 첨가하면 전기 중층이 수축되고 제타전위는 감소된다2 , . 따라서 제타전위와 입 자의 크기는 콜로이드가 거동하는 방식의 주요 지표로서 사용할 수 있다. 제타전위는

콜로이드 속 입자들의 유효 크기에 영향을 미치고, 제타전위와 입자의 크기를 동시에 측정하면 입자의 특성을 보다 정확히 알 수 있다. 안정 및 불안정한 수용액 사이의 제 타전위 값의 경계선은 대체로 +30 mV 또는 –30 mV이다. +30 mV 보다 크거나 –30mV 보 다 작은 제타전위를 가진 입자들은 안정하다 [63]. 입자 주위의 액체층은 두 부분으로 존재한다. 안쪽 고정영역(Stern layer)에서는 이온들이 강하게 결합하고 바깥쪽 확산 영역(Gouy layer)에서는 입자들이 단일한 개체로서 거동하는 미끄럼(slipping) 평면으 로서 알려진 경계이다 [64]. 이 경계에서의 전위가 제타전위이다.

용액에 분산되어 있는 입자는 표면 극성기(polar group)의 해리와 이온의 흡착에 의 해 전기적으로 음 또는 양으로 대전되어 있다 따라서 입자 주위에는 계면전하를 중화. 하기 위해 과잉으로 존재하는 반대 부호를 가진 이온과 소량의 동일한 전하를 지닌 이 온이 확산적으로 분포하고 있으므로 Fig. 12와 같은 전기 중층이 형성된다2 .

Fig. 12 Structures of electric double layer and zeta potential of colloid particles

이러한 전기 중층은 계면에서 수화 이온의 반경과 거의 동일한 곳에 존재하는2 Stern 에 의해 두 부분으로 나누어진다 을 기준으로 하여서 내부 영역은

plane . Stern plane

고정층(Stern layer), 외부영역은 이온확산층(Gouy layer, diffuse layer)으로 정의한 다. 한편 외부층에 양이온, 음이온이 각각 균형을 이루어 존재하는 용액이 대부분을 차지하고 있다. 입자와 함께 이동하는 하전입자의 거동에 직접적으로 영향을 미치며, 입자는 고정층과 확산층 안쪽의 일부를 따라 이동하게 된다. 이 때 이동이 일어나는 면을 미끄럼(slipping)평면이라고 정의한다.

입자로부터 충분히 떨어져서 전기적으로 중성인 영역의 전위를 ‘0’이라하고, 제타 전위는 이 ‘0’을 기준으로 하여 측정했을 경우 미끄럼평면의 전위라고 정의되어 진 다 미립자의 경우 제타전위의 절대치가 증가하면 입자 간의 반발력이 강해져 입자의. , 안정성은 높아지고, 반대로 제타전위가 ‘0’에 가까워지면 입자는 응집되기 쉬워진 다 때문에 제타전위는 분산된 입자의 분산안정성의 지표로도 이용되고 있다. .

와 같이 대전하는 입자가 분산되어 있는 용액에 외부에서 전장을 인가하 Fig. 13 (a)

면 입자는 전극을 향하여 영동 이동 하는데 그 속도는 입자의 하전에 비례하므로 입, ( ) , 자의 영동속도를 측정함으로써 제타전위를 구할 수 있다.

전기영동 광산란 측정법은 레이저도플러법이라고 불리며, ‘빛이나 음파가 운동하고 있는 물체와 부딪치거나 반사하거나 산란하면 빛이나 음파의 주파수가 물체의 속도에, 비례하여 변화한다 라고 하는 도플러효과를 이용하여 입자의 영동속도를 산출한다’ 전기영동하고 있는 입자에 레이저광을 조사하면 입자로 부터의 산란광은 도플러 [65].

효과에의해 주파수가 변화되고, 변화량은 입자의 영동속도에 비례하므로, 변화량을 측 정함으로써 입자의 영동속도를 구할 수 있으며, Fig.13 (b)와 같다.

실제로 굴절율(n)의 용매에 분산된 시료에 파장(λ)의 레이저광을 조사하여, 산란각 (θ)으로 검출할 경우의 영동속도(V)와 도플러 변화량(Δν)의 관계는 다음 식으로 나 타낼 수 있다.

∆  



이 때 n은 용매의 굴절율, θ는 검출각을 의미한다. 이 식을 통해 확보한 영동속도(V) 와 전장(E)으로 전기이동도(μ)를 구할 수 있다.

  

전기이동도(μ)로부터 제타전위(ζ)는 다음의 Smoluchowski의 식을 이용하여 구하게 된다.

  



여기서 η은 용매의 점도를 나타내며, ε는 용매의 유전율을 의미한다.

a)

b)

Fig. 13 (a) Mobility of charged particle inside the cell and (b) schematic of laser Doppler method