신사업 소개
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 2, 2020 …
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유변학으로 여는 화학산업
오 주 석
㈜레올로지솔루션즈 연구소장 [email protected] http://www.rheologys.com
1. 유변학의 응용범위
유변학은 물질의 변형(deformation)과 응력(stress) 을 다루는 학문이다. 플라스틱, 엘라스토머, 필름, 섬 유 등은 고분자 용융체나 용액으로부터 복잡한 형태 의 유동과 변형을 거쳐 제품으로 성형 가공되며 유 변물성은 가공공정에서 꼭 필요한 물성이다. 최근에 는 유변물성이 가공공정을 해석하는 용도 이외에도 고분자 물질 자체를 분석하는 데에도 유용하게 사용 되고 있다. 일반적으로 유변물성 측정방법은 변형을 가하여 나타나는 응력을 측정하여 물질함수(또는 유 변물성)를 얻는 것을 말한다. 유변물성을 측정하는 장비를 레오미터(rheometer)라고 한다.
2. ARS의 역사
물질의 점성과 탄성을 측정하는 장비인 레오미터
는 다양한 물질의 연구와 생산현장의 QC에 사용되 고 있지만, 국내에는 생산하는 기업이 없어 전량 외 국에서 수입하고 있다. 현재 국내에서 사용하고 있 는 레오미터는 보통 1대당 1억 원이 넘는 고가 외국 제품이 차지하고 있는 상황이다. ㈜레올로지솔루션 즈는 2010년 4월부터 대전테크노파크 지원사업을 통 해 레오미터를 개발하였고, 2011년 7월부터 국내 최 초로 레오미터 국산화 생산에 성공하였다. 이러한 결과로 외국에서 수입해오던 장비를 대체하는 효과 를 거둬 가격경쟁력이 있는 회사로 성장하였다. 또 한 ㈜레올로지솔루션즈는 레오미터를 이용한 생산 품의 품질 안정과 연구개발 효율화에 꾸준히 기여하 기 위해 최선을 다하고 있으며 제품과 공정의 최적 화를 위한 기업과 연구기관의 노력을 뒷받침하기 위 해 물질의 유변학적 특성을 정확히 파악하는 기기와
그림 1. 레오미터와 개발자. 그림 2. 화장품의 점도 측정.
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… NICE, 제38권 제2호, 2020solution을 제공하는 것을 사명으로 하고 있다.
3. ARS 기기소개
레오미터는 점탄성이 존재하는 모든 액상 물질 과 gel, sol 등의 점탄성 측정이 가능하다. 레오미터의 종류 중 회전식 레오미터는 회전을 이용하여 다양 한 유동(또는 응력)을 제어하는 레오미터이고, 아주 낮은 점도(예를 들면, 물 ≈ 10-3 Pa·s)에서부터 아 주 높은 점도(melting polymer, 대략 103 ~ 105 Pa·s) 까지 다양한 고분자 물질의 유변학적 물성을 측정할 수 있다.
회전식 레오미터로 측정 가능한 변수들로는 여 러 유변학적 변수, 즉 elastic modulus(점탄성계수), storage modulus(저장탄성률, G’), loss modulus(손실 탄성률, G˝), complex modulus(복합탄성률, G*), viscosity(점도, η), 전단응력/전단율(shear stress/shear rate) 등이 있다. 이때 회전식 점도계에서 각속도가 일정하게 증가함에 따라 저항도 직선적으로 증가하 면 Newtonian fluid(뉴턴성 유체, ex. 물), 비선형이면 non-Newtonian fluid(비뉴턴성 유체, ex. 로션, 치약) 이라고 한다.
상온용 점탄성 측정 레오미터와 달리 고온용 점 탄성 측정 레오미터는 -100°C부터 400°C까지 시료의 온도를 조절하여 점도를 측정할 수 있다. 시료를 고 온으로 만들기 위해서는 히터로 가열하며 시료를 저 온으로 만들기 위해서는 히터에 들어가는 유체를 상 온의 공기가 아닌 액화이산화탄소나 액화질소 같은
극저온 유체를 투입하여 시료를 원하는 온도로 냉각 시킬 수 있다.
당사의 회전형 레오미터는 oscillatory movement를 이용하여 유동(또는 응력)을 제어하는 레오미터로 storage modulus(저장 탄성률), loss modulus(손실 탄 성률), viscosity(점도) 같은 유변학적 물성을 유변학 전문가가 아니라도 쉽게 측정하고 결과를 분석할 수 있도록 설계·제작 되었다.
산업 공정에서 점도 측정은 품질을 결정하는데 유용하게 쓰이고 있다. 예를 들어, 콘크리트 혼합물 중 하나인 혼화재의 특성에 따라 유동성 및 점성의 변화가 크므로 최적 배합을 도출해기 위하여 혼합분 체에 대한 유변학적 특성을 분석하며, 또한 소성점 도(Plastic Viscosity)를 적정하게 유지하여 재료분리 를 방지해야하기 때문에 시멘트 산업에서도 점도측 정은 중요하게 여겨진다.
Paint의 경우는 점도에 따라 sagging과 leveling의 정도가 달라지기 때문에 환경에 따라 어떠한 점도의 paint를 골라야 좋은지 알 수 있다. 인쇄 잉크도 점도 가 너무 높으면 인쇄가 깨끗하지 못하고 점도가 너 무 낮을 시 번질 가능성이 있다.
Pipe line의 process 설계에서는 파이프 내의 유체 점도가 너무 크면 pipe가 막히고, 파이프 내에서 이 송하려는 유체의 점도에 따라 pump의 power를 결정 할 수 있다.
그림 3. 점도가 산업현장에서 사용되는 사례.
그림 4. 레오미터를이용한 화장품 평가.
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㈜레올로지솔루션즈에서는 화장품의 발림성을 관능적으로 평가하고 이것을 레오미터로 수치화하 여 data의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 사람들 이 선호하는 화장품들은 어떤 유변학적 특징을 가지 고 있는지 파악하였고 이를 통해 레오미터를 이용해 기계적 평가 방법이 사람에 의한 관능평가를 대신할 수 있어 화장품 제품 개발의 시간과 비용을 절감할 수 있게 되었다.
4. ARS의 새로운 사업분야 개척
최근 레올로지솔루션즈는 의과대학(을지대, 건양 대, 대전한의대, 분당서울대)과 협력해서 혈액의 점 도를 이용해 환자의 질환유무를 판단하는 기술을 연 구하고 있다. 혈액은 다양하고 많은 수의 세포, 단백 질, 이온 등이 유기적으로 결합하고 분리되는 현상 이 끊임없이 반복되는 살아있는 생명체와 같다. 특 히, 혈액이 빠르게 흐를 때(높은 전단속도 조건)에는 세포들이 서로 떨어져서 흐르고, 혈액이 느리게 흐 를 때(낮은 전단속도 조건)에는 세포들이 서로 결합 하여 흐르는 특성을 가진다. 이러한 이유로 혈액의 점도는 흐르는 속도(또는 전단속도)에 따라서 매우 다이내믹하게 변하게 된다. 따라서 혈액의 점도를 정확하게 측정하기 위해서는 이러한 세포 간의 결합 및 분리 현상을 방해하지 않는 조건이 가장 최적의 조건이라고 할 수 있다. 당사의 혈장점도계인 ARS- MEDI를 이용하여 이완기의 낮은 전단속도에서의 혈액의 점도를 측정할 수 있다.
ARS-MEDI를 이용하면 이완기에 해당하는 낮 은 shear rate(1.0rad/sec)의 혈액의 점도를 혈액 내부 의 구조를 해체시키지 않고 측정할 수 있다. 이러한 방법으로 혈액의 점도를 측정하여 당뇨나 빈혈 같
은 혈액의 구성요소가 변화하는 병의 중증도를 파 악할 수 있다. 당뇨환자의 경우 고혈당에 의해 혈액 에 많은 glucose가 존재하고, 이 다량의 glucose가 혈 액의 적혈구들을 뭉치게 하는 접착제 같은 역할을 하게 되어 적혈구의 표면적을 작게 만들고, 적혈구 의 hemoglobin이 산소를 잘 붙잡지 못하게 되어 말초 혈관에 산소를 잘 공급하지 못하게 하여 신체의 말 단부가 괴사하게 된다. 이때 레오미터로 이러한 당 뇨를 가진 환자의 혈액에는 glucose가 많다는 사실 에 착안하여 혈액의 점도가 정상인보다 얼마나 높은 지를 보고 당뇨의 중증도를 파악하고 정확한 의사의 처방을 기대하게 할 수 있습니다. 또한 이 기기는 당 뇨나 빈혈 등의 중증도를 화학적 분석법이 아닌 물 리적 분석법으로 분석하여 더 빠르게 파악할 수 있 을 뿐 아니라 화학분석에서 파악하는 개별 인자가 아닌 종합적인 물성의 파악으로 당뇨합병증, 뇌졸 중, 한방의 어혈 등의 진단 정확도가 높아질 것으로 기대되고 있다.
그림 5. 의료용 레오미 ARS-MEDI.
