콜로이드 계의 특성

1. 계면의 정의와 분류

1.2 콜로이드 계의 특성

 콜로이드 계에 대한 연구로는 입자의 유동성, 크기 및 형태, 표면적, 표면에너지, 하전 구조의 결정이 중요한 부분을 차지한다. 각각의 내용에 대해 다음 분석들이 자주 사용된다.
 ■입자크기 및 형태 : 광(X-선, 중성자) 산란, 흡광도, 광학현미경, 전자현미경
 ■입자의 유동성 : 확산, 원심분리, 점도 측정, 크로마토그래피
 ■표면적 : 임자에 대한 기체 흡착, 용액에서의 흡착, 표면장력
 ■표면에너지 : 표면장력, 입자 간 퍼텐셜
 ■하전 구조 : 전기 이중층, 퍼텐셜 함수

1.2.1 입자크기 및 형태
입자 크기는 콜로이드의 전반적인 성질, 특히 기계적 성질을 결정하는 가장 중요한 인자이다. 이 표면적, 점도, 응집 거동, 미세구조, 표면 전하, 화학적 친화성 등의 콜로이드 성질은 입자크기에 큰 영향을 받는다. 균일한 구형 입자는 이론적으로 다루기 용이하지만 실제 콜로이드 입자의 형태는 다양하나 크게 구형, 판상 또는 선형으로 구분할 수 있다. 실제의 입자 형태는 복잡하지만 이론적으로는 비교적 간단한 모형을 활용한다.
 이중 구형은 이론적인 접근이 가장 쉬운 형태인데 대부분 콜로이드는 구형이거나 구형에 가까운 입자로 되어있다. 예로써 유화액, 액체 에어로졸, 라텍스 등은 구형 입자로 볼 수 있으며 몇몇 단백질 분자들도 근사적으로 구형에 속한다. 또한 금이나 요오드화은 졸과 같은 분산에서 결정 입자는 대칭성이 커서 구와 같은 거동을 한다.
 분자량이 크고, 선형 또는 가지 구조를 갖는 고분자 물질은 용매에 용해하면 그 입체 구조가 펼쳐진 코일 구조를 나타내는데 이론적인 취급에는 흔히 랜덤 코일 모형을 적용한다. 

(1) 입자의 대칭성
 많은 고체 입자는 실제 구형이 아니지만 구에 가까운 대칭성을 지녀 근사적인 구로 다루어진다. 대표적인 물질로서 카본블랙은 다면체 구조를 갖는데 산소가 없는 고온 조건에서 제조하면 높은 대칭성을 보인다. 이러한 불규칙 입자를 구로 다루기 위해서는 그 입자를 투영하여 Martin 직경(Martin diameter)을 얻어야 한다. 구형 입자는 반경(혹은 직경)이라는 단 하나의 인자로 정의할 수 있기 때문에 다른 형태에 비하여 모형으로 많이 사용된다. 그러나 실제 입자는 대칭성의 측면에서 하나의 인자로 정의하기 어려운 경우가 많다. 구형 다음으로 자주 사용되는 모형은 회전 타원체(ellipsoid)로서 단백질과 같은 용액 내에서의 고분자 구조에 적용된다. 이때 회전축 방향 반경(a)이 직교 방향 반경(b)에 비하여 큰 타원체(a>b)를 프롤레이트 구조(prolate) 그리고 그 반대의 경우(a<b)를 오블레이트 구조(oblate)라고 한다. 한편 두 반경의 비(a/b)는 축비(axial ratio)라고 하며 구형에서 벗어나는 경향을 나타내는 척도로 쓰인다. 또한 축비가 극단적인 형태인 a>>b 이면 봉상 구조(cylinder), a<<b 이면 디스크 구조(disc)로 취급할 수 있다.

(2) 입자 모형의 적용
 자연에서 관찰되거나 합성에 의해 얻어지는 콜로이드 입자는 그 형태와 크기가 다양하다. 이러한 콜로이드 계의 연구에 적당한 모형이 사용되는데 구체적인 응용 예로는 다음과 같은 경우가 있다.

 ■구형 입자 : 전하의 수가 잘 알려진 라텍스 입자에서 전하를 갖는 분산의 유변학 연구
 ■타원체 입자 : 회전에 의해 변형이 발생하는 압축성 연질 입자의 유변학 연구
 ■판상 입자 및 바늘 모양 입자 : 유동에 대한 비대칭성 효과나 분산의 광학적 성질
 ■코일 구조 : 고분자를 포함하는 유체의 분자량, 성형 조건 결정과 같은 유변학 연구

(3) 입자 응집 및 분산도
 콜로이드를 구성하는 일차 입자는 결합하여 집합체 구조를 나타낸다. 이러한 응집 과정에서는 입자 간 작용력이 결정적인 역할을 한다. 일차 입자의 결합은 3차원적으로 진행되지만 광학 및 투과전자현미경 분석에 의해서는 2차원 투영 상태를 얻는다. 현미경 관찰을 위한 시편 제작 과정은 원래의 분산 상태를 파괴하기 때문에 일반적으로 비파괴적인 분석법인 광(중성자, X-선 포함) 산란이 보다 정확한 결과를 난타 낸다.
 실제 균일한 크기를 갖는 콜로이드 계는 자연에서 관찰하기 쉽지 않다. 일반적으로 콜로이드 분산상은 분자량의 차이 혹은 응집의 결과로 크기 분포를 갖는다. 이러한 분포를 나타내기 위해 보통 직경(diameter), 회전반경(radius of gyration), 분자량(molecular weight) 등의 인자가 사용된다.
 일반적으로 고분자 콜로이드는 분자량이 일정하지 않기 때문에 흔히 수 평균(number average), 무게 평균(weight average), 점도 평균(viscosity average) 분자량 등이 적용된다. 또한 분자량 분포(distribution)를 알기 위해 삼투압(osmotic pressure), 광 산란(light scattering), SEC(size exclusion chromatography) 등의 분석이 보편적으로 쓰인다.
 같은 크기의 분자가 모여 이루어진 응집의 예로는 계면활성제 미셀 구조가 대표적이다. 구형 미셀의 경우, 광 산란 분석에 의해 평균 직경을 얻으면 이것으로부터 대략적인 집적 수(aggregation number)를 계산할 수 있다.