초미립자에 대한 레저회절·산란법을 적용한

입도측정방법의 비교 검토(1)

최우식, 정한영, 김성수, 김병수, 이미려

부산대학교 대학원 학과간 분체공학협동과정

Particle Size Analysis for Ultrafine Particles(1):

a Comparative Study of Laser diffraction-scattering method

Woo Sik Choi, Han Young Chung, Sung Soo Kim, Byung Soo Kim, Mi Rea Lee

Interdisciplinary program in Graduate School, Pusan National University

서언

분체 소재의 입도분포는 산업 제품의 적절한 기능을 지배하는 중요한 물성치이다.  따라서 분체를 다루는 기술의 어려움은 입도측정에서 시작하여 입도측정에서 끝난다고 하여도 과언은 아니다.

최근 Submicron입자에 대한 측정의 필요성이 증대하고 있으며, 따라서 최근 레이저 공학과 컴퓨터 공학의 활발한 연구결과로 입도분포의 측정기술이 크게 향상되었다. 국내에서도 미분체산업의 발달과 더불어 고가의 측정장비를 도입하여 품질관리 혹은 제품개발에 활용하는 빈도 또한 높아가고 있다.

그러나 측정원리의 수학적 적용과 컴퓨터 소프트웨어에 의한 데이터의 표현 등이 현장 사용자에게는 잘 알려져 있지 않은 블랙박스로 되어 있어, 자신의 시료에 대한 진의 입도분포를 얻었는지에 대한 확인이 되지 않은 채 입도분포 데이터 입수의 편리성, 신속성 때문에 널리 통용되고 있는 것이 현실이다.

여기서는 최근의 문헌 조사에서 밝혀진 초미립자의 입도측정상의 문제점을 십분 인식하면서 특히 레이저 회절·산란법 원리를 적용한 현존 입도분포 측정장치에 대하여 동일 시료를 사용하여 입도분포를 측정하고, 그 결과를 비교·검토한다. 이를 바탕으로 초미립자의 입도분포측정을 위해 현재 국내에 널리 보급, 사용되고 있는 기종에 대한 측정상의 일반적 유의사항을 비롯하여 조작매뉴얼을 표준화하여 바른 입도분포를 얻기 위한 참고자료를 얻는 데 본 연구의 주요목표를 두고, 그 동안 시료의 조제방법 특히 분산방법에 대해 연구한 바를 속보하고자 한다.

실험

(1) 시료 : 본 실험에 사용한 시료로서는 시판 표준 라텍스(Polystyrene latex 1.1 □m, Coulter latron 0.3 □m), 본 실험실의 유성볼밀에 의한 분쇄품 (calcite 0.5 □m), 집진분(Magnesia submicron), 소결알루미나(AMS-9, 0.5 □m) 등으로 연구실에 보유하고 있거나 주위에서 쉽게 입수할 수 있는 시료를 선정하였다. 또한 앞으로 연구의 전개방향에 따라 적절히 추가하고자 한다.

(2) 입도측정기기 : 현재 연구실 내에 보유하고 있는 Malvern사의 Mastsizer microplus와, 대학에서 가까운 산업체 연구실의 보유 기기로서는 CILAS사의 Granulometer 1064와 Coulter사의 LS 230를 선정하였다.  그밖의 2, 3 기종을 추가하고자 검토 중이다.

(3) 분산제와 분산방법 : 본 연구에 사용한 분산제로는 Na-HMP[(NaPO3)6 일본 Katayama화학공업사제]를 주로 사용하였다. 입도측정기기 내에 이미 장착된 분산기 이외에 microplus와 LS230의 경우에는 외부에서 별도로 초음파분산기(일본정기(주)사제 US-300T)를 사용하였다. 수 중 미립자의 Zeta potential를 Zeta potential analyzer(MATEC JD 4819)로 측정하였다.

실험결과 및 고찰

(1) 초음파에 의한 분산효과 : Fig. 1은 분산제를 첨가하지 않았을 경우 Mastersizer 기기 내에 이미 내장된 초음파만의 분산에 의해 측정한 것과 외부에서 초음파분산기로 미리 분산시킨 시료의 초음파를 건 시간과 중위경과의 관계를 보인 것이다.

Fig. 1  Effect of dispersion time of ultrasonication on median diameter

of PSD in the case without dispersion agent

Fig. 2  Effect of dispersion time of ultrasonication on median diameter

of PSD in the case with dispersion agent of Na-HMP

분산제의 첨가 여부와는 관계없이 외부에서의 초음파를 가한 경우의 중위경이 보다 작았다.  분산제를 가하지 않은 경우에 있어 중위경은 초음파 부가시간 0-4분 사이는 입자가 감소하다가 4-8분사이에는 다시 증가하였다. calcite의 경우 최소 입자경은 초음파를 4 분정도 걸었을 때 0.44 □m로 측정되었고,□AMS-9 시료의 경우 4 분일 때 0.46 □m, 집진

분의 경우 4 분에서 0.87 □m로 측정되었다.이것으로부터 초미세입자의 경우에는 외부에서의 초음파에 의한 분산효과가 유효함을 확인할 수 있었다.

(2) 분산제 농도의 영향 : Fig. 2은 분산제 Na-HMP의 첨가농도와 중위경과의 관계를

보인다. calcite 분쇄품과 집진분, AMS-9 시료에 분산제 농도를 0.05 %(중량) - 2 % 까지 변화시키면서 중위경를 최소로 하는 분산제 최적농도를 조사한 바 0.05 % 정도가 최적임을 알았으며 종래 여러 연구자들의 보고와 일치한다.

Table 1  Comparison on values of Zeta-potential

for ground calcite by M&S-8000 of MATEC

Time(s)	Cd = 0 % (No use)		Cd = 0.05 %
	X50(□m)	□ (mV)	X50(□m)	□ (mV)
0	0.83	-22.8	0.48	-38.7
60	0.59	-16.9	0.46	-45.0
90	0.66	-18.2	0.45	-39.0
120	0.85	-20.0	0.46	-42.4

또한 AMS-9 시료는 0.1 %, 집진분은 0.5 %가 최적농도임을 알았다. 시료 종에 따라 분산제의 영향이 달리 작용함을 알 수 있으며, 앞으로 그 본질의 해명에 주력하고자 한다.

Table 1은 Zeta-potential 값과 각 중위경과의 관계를 분산제의 첨가여부에 따라 정리

Table 2  Comparison of PSD for 3 kinds of instrument

according to experimental conditions for samples

		Cd=0 %(No use)		Cd=0.05% (Na-HMP)		Cd=0.05% (JD-4819)a
Sample	Instrument	t=0 s	t=90 s	t=0 s	t=90 s	t=0 s	t=90 s
Calcite	MALVERN	0.89	0.54b	0.89	0.53b
	CILAS	0.83	0.66	0.48	0.45
	COULTER	1.33	1.17	0.96	1.55	1.13	1.01
Magnesia	MALVERN	1.90	0.87b	1.15	0.77b
	CILAS	1.79	1.55	3.83	1.68
	COULTER	1.58	0.99	1.18	1.11	0.95	0.93
AMS-9	MALVERN	1.37	0.46b	0.57	0.48b
	CILAS	1.27	0.82	112	1.07
	COULTER	1.89	1.81	0.79	0.78	0.86	0.84

a : Sodium acrylate polymer

b : t=4 min.

하여 보인 것이다.  Zeta-potential 값이 큰 쪽이 중위경이 작은 경향을 보이고 있어 분산제의 분산효과 평가에 적절히 활용될 수 있음을 알 수 있다.

각종 시료에 대한 분산효과를 조사한 CILAS의 입도측정결과를 제시하지 못하지만, 그 결과만을 고찰하고자 한다.  기기 내에 내장된 초음파기를 사용하여 초음파를 거는 시간은 1 분 30 초 전후가 적당한 것으로 측정이 되었다. 집진분과 AMS-9의 경우는 분산제를 가한 쪽이 입자경이 더 크게 측정이 되어 이들 시료에는 Na-HMP 분산제의 효과가 오히려 역효과임을 보여 주고 있으며, 따라서 분산제의 농도에 따른 입자경의 변화는 크게 나타나지 않았다.

Table 2는 3 가지 입도분포측정장치로 측정한 입도분포측정의 결과를 보인다. 대개 양호한 일치를 보이나 다소의 흩어짐은 피할 수 없는 것 같으며, 시료 종에 따른 경향도 다르게 나타나고 있어, 초미립자의 입도분석에 대한 중요성을 새삼 시사해 주고 있다.

결언

분산방법의 최적화를 찾기 위하여 3 가지 레이저산란·회절법 원리를 적용한 입도측정장치로 공통시료를 사용하여 비교측정하여 얻은 입도분포데이터의 해석에서 다음과 같은 지견을 얻었다.

1. submicron 입자를 다수 포함한 시료의 입도분포의 측정을 위하여는 외부에서 초음파로 미리 분산시킬 필요가 있음을 알았다.

2. 공통시료에 대한 입도측정결과의 중위경의 편차는 기종과 시료종에 따라 달랐다. 이는 초미립자의 입도분포평가의 어려움을 충분히 시사하는 것으로 본다.

본 연구를 위해 고급기자재를 사용하도록 해준 장우기계와 정원화학의 사장님께 심심한 사의를 표하는 바이다. 본 연구는 부산대학교 발전기금 연구조성비의 지원을 받아 이루어진 것으로 대학 당국에 사의를 표한다.

참고문헌

1) Jimbo, G. : 분체공학협동과정 초청 강연 예고집, 부산대학교 (1996).

2) Michoel, A. et al.: □Influence of Porosity on the Electrical Sensing Zone and

Laser Diffraction Sizing of Silicas. A Collaborative Study", Part. Part. Syst.

Charact. 11, 391-397 (1994).

3) Etzler, F. M. & M. S. Sanderson : □Particle Size Analysis: a Comparative

Study of Various Methods", Part. Part. Syst. Charact. 12, 217-224 (1995).

4) Lange, H.: "Comparative Test of Methods to Determine Particle Size

Distribution in the Submicron Range", Part. Part. Syst. Charact. 12, 148-157

(1995).

5) 日本粉□工學會粒度測定□□-□會 : 粒度測定□□□-□最近□粒度測定法□總合的比

較檢討□ 要旨集, 東京 (1987).