계면의 정의 및 분류

1. 계면의 정의 및 분류

 

1.1 계면의 정의 및 분류
 표면 또는 계면이란 서로 접하는 두 상의 경계면이다. 즉 계면 화학 또는 계면 과학이란 계면에서 일어나는 현상을 물리적 및 화학적인 수단을 사용해서 해명하는 학문의 분야이다. 계면은 5가지 기본적인 형태가 있는데 고체-증기, 고체-액체, 고체-고체, 액체-증기, 액체-액체 계 면이 그것이다. 전통적으로 증기 상과 만나는 응축 상을 표면이라고 부르는데 일반적인 의미의 계 면은 모든 형태의 상 사이에 존재하는 경계 면을 지칭한다.  계면의 원자나 분자는 물질 내부에 비해 높은 퍼텐셜 에너지를 가지고 있기 때문에 표면 상으로 내부 분자를 이동시키는데 부가적인 일이 요구된다. 이때 계면활성제인 물질이 계면에 흡착하면 높은 에너지의 표면 분자를 치환하여 계의 전체적인 자유 에너지를 감소시킨다.

1.1.1 계면과 콜로이드
 부피에 대한 표면적의 비율이 일정 크기 이상이 되면 계 면이 전체가 갖는 성질을 좌우하게 되는데 그 대표적인 예가 콜로이드 계이다. 콜로이드 계는 선형적인 크기가 10-9m에서 10-6m의 범위에 드는 혼합 계를 지칭하는데 물리, 화학, 생물학, 재료 과학 등의 분야에서 중요하게 이루어진다. 자연계에 존재하는 콜로이드 계는 그 종류가 매우 다양하며 매우 넓은 계면에서 물리 화학적인 현상을 관찰할 수 있다. 지난 세기 천연물에서 합성 제품에 이르는 콜로이드 계에 대한 탐구는 원리와 응용의 측면에서 큰 성취를 이룩하였다.
최근 콜로이드 동역학, 유변학, 현미경이나 분광학적 분석, 흡착 및 분리, 표면 에너지, 계면 활성제 용액 물성, 콜로이드 안정성에 대한 연구는 논리 체계를 갖추기에 이르렀다. 그 결과 이들 분야는 각각 독립적인 학문의 형태로 분화하고 있다. 한편, 계면활성제로 대표되는 콜로이드 기술은 20세기 중반까지는 계면 과학 응용의 큰 부분을 차지하였지만 과학기술이 발전하면서 콜로이드 계가 아닌 영역이 점차 증가하고 있다. 이와 같은 계면 과학의 응용 분야로는 나노 기술, 계면 성형 기술 등이 중요하다. 특히 나노 기술은 최근 등장한 개념이나 21세기에 들어서면서 시대를 대표하는 용어로 부각되고 있다. 일반적으로 나노 기술은 1~100nm 크기를 다루며 분자 구조의 물리 화학적 특성을 제어하는 공정으로서 보다 큰 구조물을 형성하기 위한 결합이 가능하다. 즉 나노 기술은 콜로이드 계와 비슷한 크기를 다루지만 콜로이드가 아닌 미소 계를 대상으로 하는 점이 다르다.

1.1.2 콜로이드의 분류
 콜로이드 계는 콜로이드 분산, 고분자 용액, 응집 콜로이드, 생체 콜로이드 등으로 구분할 수 있다. 분산, 용액 그리고 응집 콜로이드가 만들어지는 과정은 매질에 대한 친화성(팽윤 혹은 용해)이 중요하다. 이들은 매질에 대한 친화성에서 큰 차이를 보인다. 또한 열역학적인 관점에서 콜로이드 분산은 불안정하나 나머지 둘은 안정한 계에 속한다. 일반적으로 콜로이드 분산은 매질과 분산된 입자로 이루어진 2상계이며, 이러한 두 개의 상은 분산상과 연속상으로 부른다. 분산의 물리적인 성질은 구성하고 있는 두 상의 역할에 따라 결정된다. 콜로이드 계는 표면적/부피의 비가 큰 특징을 지니고 있다. 분산상과 분산매가 이루는 계면은 흡착과 전기 이중층 효과와 같은 특성을 나타내며 계 전체의 물리적 성질을 결정하는데 큰 역할을 한다. 이와 같은 콜로이드 계는 다양한 방식으로 분류할 수 있다.
 우리 주변에서 흔히 접하는 에어로졸, 시멘트, 염료, 유화 액체, 거품, 식품, 페인트, 플라스틱 등은 전형적인 콜로이드 분산에 해당한다. 졸과 유화 액체는 콜로이드 분산 중 가장 중요한 형태이다. 졸이라는 용어는 흔히 콜로이드 현탁액과 일반 현탁액을 구분하는 데 사용되나 뚜렷하게 구분하기 어렵다. 분산매가 물인 경우, 하이드로 졸이라는 용어를 때때로 사용한다. 또한 고분자 분산을 라텍스라고 부른다. 라텍스는 당초 고무나무에서 얻은 우윳빛 수액을 지칭하는 용어에서 지금은 고분자 콜로이드, 천연 또는 합성 고분자 분산이라는 포괄적인 의미로 사용되고 있다. 고분자 용액은 고분자 분산과 비교할 때 용매에 대한 팽윤도가 아주 큰 경우로서 유동 특성, 특히 점도-농도 곡선을 통하여 뚜렷하게 구분할 수 있다.
 대표적인 응집 콜로이드로는 계면활성제 복합체가 있다. 계면활성제는 매질, 농도, 온도 조건에 따라 수중에서 미셀, 역 미셀, 결정, 액정, 베시 클 등의 응집 형태를 취한다. 미셀의 경우, 조건에 따라서 구형, 라멜라, 디스크, 원통상 등 다양한 구조를 나타낸다. 이와 같은 계면활성제가 보이는 다양한 형태는 독특한 화학 구조에 기인한다. 구조적으로, 계면활성제는 물에 친화력을 갖는 부분과 친화력이 없는 부분으로 이루어져 있다. 이때 물에 친화력을 갖는 부분은 친수성이고 그렇지 못한 부분은 소수성이라고 한다. 일반적인 매질을 대상으로 할 때는 친화력을 가지는 친액성 기와 친화력이 없는 소액 성기로 구분한다. 보통 친액성 콜로이드라는 용어는 각각의 입자 크기가 콜로이드 계에 속하는 가용성 물질을 지칭하는 데 사용된다. 이러한 구조는 분자 내에 소수성 및 친수성 구조를 함께 지니는 고분자인 경우이거나 작은 분자가 수용성 용액에서 모여 클러스터를 형성하여 응집 콜로이드가 된다. 응집을 이루는 형태를 보통 미셀이라고 하며 미셀이 발생하기 시작하는 농도를 임계 미셀 농도라고 한다. 일반적으로 콜로이드 계에서 사용되는 연속상 및 분산상은 용액을 이루는 친액성 콜로이드의 용매와 용질에 해당한다. 한편 소액성이라는 용어는 고체나 액체 입자를 기계적이나 화학적인 작용에 의해 발생하는 분산 상태를 표현하는 데 사용된다. 그러나 알루미나 분말이나 실리카 분산 수용액에서 분산 입자와 매질은 큰 친화성을 지니고 있어 실제로는 친액성이다. 이처럼 콜로이드 계에서 친액성 및 소액성의 구분은 때때로 모호한 경우가 있어 분산 안정성을 함께 고려하여 평가하여야 한다.