FORMULACTION의 'FLUIDICAM RHEO: Microfluidic Chip'을 이용한 유동점도 분석'을 이용한 세미나자료는 린온테크에서 제공하였으며 주요 내용은 다음과 같다.
잉크, 페인트, 화장품, 식품, 윤활유 등 다양한 산업 분야에서 생산된 제품의 물리적인 특성 중 하나인 “점도”는 유체의 Flowability, Spreadability, Shape Stability, Gelation, Thixotropy, Stability 등 제품의 최종물성에 영향을 미치므로 매우 중요하다.
예를 들어, 샴푸를 사용할 때의 Pumping 성능, 화장품을 바를 때의 Spreading 시 감각적 질감, 페인트나 Sun Spray처럼
Brushing 또는 Spaying 시, 또는 다양한 인쇄 공정 조건(Coating, Inkjeting…)에 따른 점도 특성의 변화로 인한 제품 사용의 편리성, 작업의 용이성, 품질 등 영향을 미칠 수 있다.
유체의 점도는 “흐름에 대한 내부저항”을 의미하고, 유체의 흐름에 대한 전단변형의 증가율은 전단 속도(Shear Rate)를 말하며 단위는 sec-1이다.
Shear Rate는 유체가 흐를 때 관의 단면과 유속에 의해 결정된다. 좌측 그림처럼 관의 단면이 크고 유속이 느리면 Low Shear 영역이고, 관의 단면이 작고 유속이 빠르면 High Shear 영역으로 이야기할 수 있다.
Shear Rate에 상관없이 일정한 점도를 나타내는 유체를 뉴턴 유체(Newtonian Fluid)라고 하며 대표적으로 물, 알코올, 글리세롤 등의 저분자 액체가 있다.
반면 Shear Rate에 따라 점도가 감소하는 Shear Thinning, 또는 점도가 증가하는 Shear Thickening과 같은 거동을 보이면 비뉴턴
유체(Non-Newtonian Fluid)라고 하며 잉크, 페인트, 크림 등 우리가 흔하게 일상에서 접하는 많은 유체들이 이에 해당된다.
위 표는 우리가 실생활에서 제품을 사용할 때, 제조 공정 조건에 따른 Shear Rate의 대표적인 범위를 나타낸 것으로 점도 측정 시 실제 Shear가 가해지는 조건에서 분석이 왜 중요한지를 단적으로 보여주고 있다.
예를 들면 제형이 용기에 저장된 상태에서는 점도가 높을수록 안정성 측면에서는 좋다. 하지만 제형을 사용할 때 또는 작업할 때 점도가 어느 정도 감소해야 사용감, 작업성, 품질 측면에서 좋다고 볼 수 있다. 따라서 실제 사용 또는 공정조건에서의 Shear Rate에 따른 점도 특성의 변화를 분석하는 일은 최종물성 측면에서 매우 중요하다.
FLUIDICAM RHEO 주요 구성은 아래의 그림과 같다.
표준용액과 시료가 담긴 Syringe 및 두 유체의 유속(Flow Rate)을 제어하는 Syringe Pumps, 시료가 흘러가는 Microfluidic Chip과
Heating Plate, 그리고 두 유체의 점도 차이로 인해 발생하는 Chip 내의 계면을 측정하는 Camera로 구성되어 있다.
분석이 이루어지는 핵심적인 부분을 보면 미지 시료와 점도를 알고 있는 표준용액(Newtonian Fluid)은 Syringe Pump를 이용하여 제어된 유속으로 “Y 자” 형태의 Microfluidic Chip내로 주사 된다.
이때 두 유체가 만나 형성되는 계면의 위치는 미지시료와 표준용액의 점도 비(比) 및 두 유체의 유속 비(比)와 관계가 있다.
여기서 W와 WR은 각각 미지 시료와 표준용액의 계면 폭이고 η와 ηR은 각 점도, Q와 Q R은 두 유체의 유속이다. 상기 수식에
서 Shear Rate는 유속과 Channel Gap에 의해 결정되며, 여기서 Chip의 폭은 2.2mm이고 높이는 Chip Type에 따라 50μm와 150μ
m 두 가지가 있다. 따라서 각 유체에 의해 형성된 계면은 Camera로 측정하고, 유속은 Syringe Pump로 자동 제어하고, 표준용액의 점도 ηR는 알고 있음으로 미지 시료에 대한 점도 η를 측정할 수 있다.
각 유체가 흘러 중간에서 만날 때, 두 유체가 섞이지 않는 것은 두 유체간의 확산속도보다 유속이 충분히 빠르기 때문이다. 그리
고 두 유체가 흐를 때 난류(Turbulent Flow)가 아닌 층류(Laminar Flow)를 형성하는 것은 두 유체의 흐름을 매우 제한된 Channel 내로 한정시켰기 때문이다.
분석 중에도 실시간으로 유체의 흐름 및 계면 상태를 Video로 확인할 수 있으며, 분석 후에는 각 분석 결과의 Image를 시각적으
로 확인 및 평가하여 신뢰도 높은 정확한 결과를 얻을 수 있다. 데이터 처리를 위한 별도의 Black Box는 없고 각 Shear Rate에서의 Data Point는 기본적으로 10개의 Image를 측정하여 그 값의 평균으로부터 구한다.
1% 이내의 탁월한 Accuracy와 Reproducibility를 제공하며, 광범위한 Shear Rate 범위(100~180,000s-1)를 2개의 Chip(50μm, 150μ
m)으로 구현할 수 있다. 점도 측정범위(0.1~200,000cP)를 적용할 수 있다.
1 Point 분석 시 100μL 이하 매우 적은 양의 시료가 소모되고 Syringe는 10mL 용량을 사용하기 때문에 한번 Sampling으로 반
복 분석이 가능하다. 유체가 흘러가며 분석되므로 항상 Fresh한 시료가 분석되고 별도의 Sensor가 없기 때문에 Calibration이 필요 없으며 분석 중 용매의 휘발 또는 건조에 의한 Error가 없다.
또한 4°C~80°C 영역에서 전자동으로 온도를 제어하고 온도에 따른 Screening이 가능하며 Sample 분석 시 소요되는 시간은 3~4
분 이내이다.
Chip 내에 Clogging이 발생해도 Chip이 “Disposable” 하므로 적은 비용으로 쉽게 교체하면 된다.
'FLUIDICAM RHEO: Microfluidic Chip을 이용한 유동점도 분석'에 대한 궁금한 내용은 본 원고자료를 제공한 린온테크를 통하여 확인할 수 있다.
Reference(참고문헌): FORMULACTION Brochure
Model Name(모델명): FLUIDICAM RHEO
The Person in Charge(담당자): Lee Yongjae
Maker(제조사): FORMULACTION
Country of Origin(원산지): France
Mail inquiry: yjlee@leanontech.co.kr
Data Services(자료제공): leanontech
<이 기사는 사이언스21 매거진 2021년 7월호에 게재 되었습니다.>
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