화상해석법에 의한 쇄성물의 형상분석에 관한 연구(1)

: 분쇄시간에 따른 입자형상의 변화

곽정섭2, 최우식1,2*

*부산대학교 제약학과1, 대학원 학과간 분체공학협동과정1,2

Morphology Analysis of ground products

by Image Analyzing Method (1)

: change of particle shape with grinding time

Jung Sup Kwak 2, Woo Sik Choi 1,2*

*Dept. of Pharm. Manuf., Interdisciplinary Program in Powder Technology

Graduate School, Pusan National University1,2

서언

최근 미립자계 재료의 고품질화, 고기능화의 요구로 원료조정 및 제조과정에 있어 개개 입자의 크기와 형상을 특성화하는 것이 재료개발의 성공여부를 좌우하는 중요한 요소가 되고 있다1). 입자를 직접 관찰하여 각종 기하학적인 정보를 얻을 수 있는 화상해석법은 가장 기본적인 입자경 측정기술이다2). 화상해석법은 하나의 형상에 대한 방대한 양의 데이터 처리, 측정하고자 하는 파라메타 선택의 어려움, 처리하고자 하는 입자를 선택할 때 주관성 개입 등 어려움과 단점이 있지만 분체의 유동성, 충전성, 침강 및 투과현상과 최종생성물의 물성에 영향을 미치는 등 분체공학의 많은 면에서 중요한 역할을 하고 있기 때문에 무시할 수가 없다. 본 실험에서는 이전의 연구3,4)를 참고하여, 난용성의 UDCA를 분쇄시간에 따른 입자의 크기와 형상변화를 화상해석법으로 해석하였다. 나아가 종래의 입도의 변화에 더하여 입자형상의 변화에 관한 정보를 추가함으로써 미분쇄 기구의 해명에 유용한 지견을 얻고자 하였다.

실험장치 및 방법

본 실험에 사용된 시료는 난용성 의약품으로 사용되고 있는 UDCA(ursodeo -xycholic)를 수직형 유성볼밀(planetary ball mill)에 의해 6시간, 12시간, 24시간, 습식분쇄한 분쇄품과 UDCA 원료를 사용하였다. 또한 미세한 입자들의 응집성을 분산시키기 위해 각 시료에 분산제 Na-[HMP] (Sodium Hexasmetaphosphate)를 사용하여 습식 프레파라트 표본샘플을 만들어 현재 연구실내에 보유하고 있는 MTech Korea사의 Bora S/W와 광학현미경으로 구성한 Bora 화상분석기를 사용하여 시료입자의 형상을 이전의 보고3)와 같은 방법으로 해석하였다. 화상분석기는 컴퓨터와 연결된 CCD 카메라(Mintron enterprise사 Cambridge Instrument Model : MTV-2001CA)가 장착된 광학현미경으로 구성된다. 현미경의 접안렌즈를 통해 보는 것보다 휠씬 작은 영역이 비디오 카메라로 잡히기 때문에 화상분석 소프트웨어로 크기를 계산할 때 scale의 검정에 유의하였다. 화상분석을 위한 S/W는 Image Bora Version 1.10(Micro tech. Korea)이 사용되었다.

실험결과 및 고찰

(A) t = 0

(B) t = 6h

(C) t = 12h

(D) t = 24h

Fig 1 Typical optical microscopy photographs of samples used

Fig. 1에서는 각 조건에 따른 UDCA를 광학현미경으로 촬영한 500여개의 화상중의 전형적인 화상을 1차 처리한 결과를 나타낸다. 시료에 대한 original image를 보면 분쇄시간에 따른 입자의 형상과 크기를 추정할 수 있으며, 되도록 1차 입자상태로 분산이 된 상태의 화상을 선택하였다. 입자의 형상을 타원 근사하여 형상계수 K는 타원의 단장축비(b/a)로 정의하였다. 분쇄시간에 따른 형상계수 K의 개수빈도분포와 누적분포를 그래프로 도시하여 Fig. 2,3에 보인다. 형상지수 K의 잔유율 R(K)를 분쇄시간 t에 식 (1)과 같이 회귀시킨 결과를 Fig. 4에 보인다. Heywood경 xH의 잔유율 R(xH)를 분쇄시간 t에 식 (1)과 같이 회귀시킨 결과를 Fig. 4에 보인다.

[eqn: R(K)`=`exp[-C_K``t^m`]]                       (1)

[eqn: R(X_H`)`=`exp[-C_X``t^n`]]                      (2)

여기서 형상 K의 분쇄속도상수 CK와 입경 xH의 분쇄속도상수 CX, 지수 m,n의 회귀치를 그림 중에 제시한다.

결론

1. 화상분석기로 시료입자의 형상을 해석한 결과 입자의 형상과 크기를 추정할 수 있고 또한 몇 개의 입자들은 서로 응집된 상태로 있는 것을 볼 수 있다.

2. 수직형 유성볼밀로 습식 조건하에서 첨가제를 사용하지 않은 난용성 UDCA분말을 6시간, 12시간, 24시간 분쇄할수록 입자형상지수 K가 원료시료보다 증가하는 경향을 보인다.

3. 분쇄시간 12시간과 24시간 사이에는 K값이 오히려 감소되었으므로 분쇄메카니즘은 파쇄로 사료된다.5)

4. 6시간 분쇄한 입자의 입도분포 패턴에서 마쇄에 의한 형상의 균일화가 보였고, 12시간과 24시간 분쇄한 입자들은 미세 입자끼리의 재조립에 의해 형상이 불규칙하게 되어 입경이 증대되었다고 사료된다.

참고문헌

1. Masaru OTANI, Hironori MINOSHIMA, Tomoyuki UCHIYAMA, Kunio SHINOHARA : The Effect of Particle Shape on the Mechanical Properties of Powder Bed, J. of the Soc. of Mat., Japan, Vol. 32 No. 3, 151-157(1995).

2. 분체공학회편 : □입자경계측기술□, pp. 215. 일간공업신문사 (1994).

3. 김현수, 정한영, 소태섭, 곽은옥, 정갑주, 최우식 : 화상해석법에 의한 입자의 형상분석에 관한 연구(1) - 최적측정조건의 고찰, 한국화학공학회지 춘계학술발표 논문집, 5(1), 869-872(1999).

4. M.N. Pons, H. Vivier, K. Belaroui, B. Bernard-Michel, F.Cordier, D.Oulhana, J.A. Dodds - Particle morphology : from visualisation to measurement, Powder Technology 103, 44-57(1999).

5. CHRISTELLE VARINOT, SANDRINE HISTGUN, MARIE-NOELLE PONS, JOHN DODDS : Chemical Engineering Science. Vol. 52, No. 20, 3605 - 3612 (1997).

Fig. 2 The change of q0 on grinding time for particle shape index K

Fig.3 The change of Q0 on grinding time for particle shape index xH

Fig. 4 Regression analysis of R(K) and t for particle shape index K

Fig. 5 Regression analysis of R(xH) and t for Heywood diameter xH