초미립자에 대한 입도분포 측정법의 비교 연구 (3)

--- 다분산계의 영향 ---

최희규2, 김성수2, 곽정섭2, 곽성신2, 김성진2, 김현일2, 최우식1,2*

부산대학교 제약학과1*, 대학원 학과간 분체공학협동과정1,2

Comparative Study of Methods to Determine Particle Size Distribution for Fine Particles : Effect of Polydispersion System

Hee Kyu Choi 2, Seong-Soo Kim2, Jung-Sup Kwak2, Seung-Sin Kwak2, Sung-Jin Kim2, Hyun-Il Kim2, Woo Sik Choi 1,2*

Dept. of Pharm. Manuf 1*., Interdisciplinary Program in Powder Technology

Graduate School, Pusan National University 1,2

서론

분체소재의 입도분포는 산업제품의 적절한 기능을 지배하는 중요한 물성치이다. 따라서, 분체를 다루는 기술의 어려움은 입도측정에서 시작하여 입도측정에서 끝난다고 하여도 과언은 아니다1-3). 현재의 측정 장치는 그 측정 원리의 수학적 적용과 컴퓨터 소프트웨어에 의한 데이터의 표현 등이 일반 사용자에게는 블랙박스로 되어 있어 시료의 진의 입도 분포를 얻었는지에 대한 확인이 되지 않은 채 편리성, 신속성 때문에 널리 통용되고 있는 것이 현실이다. 하지만 종래의 입도측정법에 따른 비교 연구는 그 대상이 주로 통계적 분포를 잘 따르는 단분산 시료의 경우가 대부분이었다. 그러나 특수한 경우 다분산 특성을 가지는 시료의 취급이 요청될 경우 각각의 분산 범위가 서로 어떤 영향을 미쳐 각 범위의 단분산 시료의 입도분포와 비교하여 어떠한 결과가 얻어질 지 알 수가 없다. 따라서 다분산 시료의 입도분포 측정 결과가 각 측정원리에 따른 측정기에 대한 다분산의 상호연관성, 특정 범위의 입도가 전체 입도분포에 영향을 미치는가의 여부와 분체의 형상이 입도분포 측정에 미치는 영향의 정도 등을 비교 연구할 필요가 있다4).

여기서는 이전의 연구에 이어5,6) 각종 입도 측정 원리에 따른 측정 장치에 대하여 다분산 표준 시료를 사용하여 입도 분포를 측정하고 그 결과를 대비하여 초미립자의 입도 측정법을 비교 검토해 이전의 연구인 분산법 및 입자의 형상의 영향에 대해서도 함께 검토하고자 한다. 따라서, 본 연구의 결과는 원리상 초래될 수도 있는 측정오차에 대한 이해를 깊게 할 수 있으며, 올바른 입도분포의 측정 및 기기의 정확한 선정을 가능하게 하고자하였고, 분체소재의 새로운 기능성 초미립자의 개발을 위한 입도관리의 지침으로도 활용될 수 있는 자료를 얻게 될 것으로 예상된다.

실험장치 및 방법

2.1 실험재료

본 실험에 사용된 시료로는 각종 산업에서 널리 이용되고 있는 방해석(CaCO3, (주)왕표화학, S500, x50=6.42 □, 진밀도=2.72 g/□)을 다분산계의 영향을 검토하기 위해 전체입자가 서브미크론 영역으로 되도록 본 연구실에서 제조하였고, 또한 1 □ 이상의 입자는 (주)왕표와학에서 제조된 탄산칼슘 조대입자를 사용하였다. Table 1에 각각의 실험조건을 보인다.

Table 1. The experimental condition for preparation of standard sample.

Size(□)	1.0 □ all pass particle	above particle of 1 □
Experimental condition	·Wet grinding by attrition mill ·n=700 rpm ·J=0.7(-) ·dB=0.1 mm ·Cs=30 wt%(sample : 95 g) ·grinding time : 120 min	Produced by Wang Pyo Chemical Co., LTD.

2.2 사용한 입도분포측정기

현재 연구실 내에 보유하고 있는 Malvern사의 Mastersizer microplus, MTech Korea사의 Bora S/W와 광학현미경으로 구성한 Bora 화상분석기, 대학인근 산업체 연구소의 보유 기기로서 Coulter사의 LS230을 선정하였다. 본 연구에 사용된 입도분포 측정기기의 측정방법과 측정원리는 이미 수행한 입도측정법에 관한 비교연구를 통하여 전보 등5,6)에서 상세하게 보고하였다.

2.3 실험방법

표준시료로서는 실험실에서 조제한 초미분쇄물과 업체에서 제공 받은 시료 등을 사용하여, 시료 조제조건을 일정하게 유지하면서 현재 연구실에 보유하고 있는 입도분포측정장치와 부산 지역의 연구기관 및 회사 연구소의 입도분포측정장치를 차용하여 입도분포를 측정하였다. Mastersizer microplus를 이용하여 입도측정을 할 때에는 기기 내에 이미 장착된 분산기 이외에 외부에서 별도로 초음파분산기(日本精機(주)사제 US-300T)를 사용하였다. 연구실 외의 타 기관에 시료의 측정을 의뢰할 때에는 각 사 나름대로 시행하고 있는 평소의 시험방법에 따라 측정하여 줄 것을 요구하였으며, 입도분포에 대한 정보는 제공하지 않았다.

제조된 샘플을 각각 1:1, 1:2, 2:1의 wt%로 일정하게 혼합하고, 각각의 측정장치에 필요한 양만큼 투입하여 입도측정을 하였다. 얻어진 데이터를 비교 검토함으로서 측정 원리 혹은 컴퓨터 소프트웨어 등에 있어 장단점을 찾아 현재 보유하고 있는 기종의 측정 상 유의사항을 비롯하여 초미립자의 입도분포측정법을 다음에 중점을 두어 정리하였다

실험결과 및 고찰

Fig. 1에 각각의 측정기기로 측정한 질량기준 입도분포를 보인다. 각각의 입도분석 기기별로 각 시료를 비교하여 볼 때 대체로 다분산계의 특성이 나타났고, 이론적으로 계산되어진 입도분포와 비교하여 볼 때 거의 같은 경향을 보였다. 하지만, 서브미크론 영역에서는 대체적으로 이론적인 결과치 보다 누적비율이 많게 나타났으며, 이는 다분산 시료의 경우 각각의 원료를 측정하였을 때 보다 조대입자 부분의 계측이 어렵다는 것으로 생각된다. 따라서, 서브 미크론의 입자와 수십 미크론의 조대입자가 섞여있는 다분산 시료를 측정함에 있어서 기기의 특성을 충분히 검토할 필요가 있다고 사료된다7). 또한, 화상분석기로 측정한 결과 서브 미크론 부근의 입자들은 체적기준 상태의 입도분포에서는 거의 나타나지 않았다. 또한, 이론적인 결과치와 비교하였을 때 작은 입자가 많이 관측되었는데, 이는 현미경 계측의 방법상 작은 입자를 관찰 할 때는 높은 배율로, 큰 입자를 관찰 할 때는 낮은 배율로 관찰하므로 다분산계 시료에서는 같은 배율로 관찰 하기가 곤란하기 때문이라고 사료된다. 또한, 화상해석법으로 입자경을 측정함에 있어서는 다분산계 시료의 경우 측정된 입자의 수를 많이 하여 많은 데이터를 가지고 입도분포를 해석 할 것이 요구된다.8).

Fig. 1 The comparison of PSD on mass basis of each sample measured various particle size analyzer.

(A) Mastersizer, (B) LS 230, (C) Image Analyzer

Fig. 2에는 각 시료별로 현미경 사진을 보인다. 현미경 사진의 배율은 ×500 으로 하였으며, threshold값에서 strech, fill holes, water shed 등의 화상처리를 하였다. 다분산 시료의 분산상태에 따라 입자들의 분포가 다르게 나타났으며, 비교적 분산시킨 비율과 흡사한 분포의 결과를 얻을 수 있었다.

(A) 1 □ 원료

(B) 40 □ 원료

(A):(B) = 1:1

(A):(B) = 1:2

(A):(B) = 2:1

Fig. 2 Typical optical microscopy photographys by a series of image treatment.

Table. 2에는 각각의 측정기기로 측정한 입도분포 데이터에서 얻어진 피크의 면적비율을 나타내었다. 시료가 다분산계이므로 이봉형의 입도분포를 보이게 되는데 측정장치에 따라 약간의 차이를 보였다. 이는 서브미크론 영역의 입자를 측정할 때 각 기기별로 분산방법이 다르고 또한, 제조회사마다의 know-how에 따라 차이가 있음을 보여 다분산계의 시료를 측정함에 있어서 각 장치의 비교분석이 필요함을 알 수 있다.

Table 2. The comparison of PSD peak modal on each equipment.

Equipment	Peak amount	1.0 □(A)	40.0 □(B)	A:B (1:1)	A:B (1:2)	A:B (2:1)
Mastersizer	small size (%)	100	0	49	32	60
	large size (%)	0	100	51	68	40
LS230	small size (%)	67	0	34	19	31
	large size (%)	33	100	66	81	69
Image analyzer	small size (%)	100	0	8	7	8
	large size (%)	0	100	92	93	92

결론

1. 다분산계의 입자에 대한 입도측정 결과는 측정기의 종과 시료의 혼합비율에 따라 다소 다름을 보였다.

2. 1 □ 이하의 초미분체와 수십 □의 분체가 포함된 다분산계의 입도측정에서는 서브미크론에서 수 미크론 영역에서는 대체적으로 이론적인 결과치 보다 누적비율이 많이 나타났으며, 이는 단분산 시료를 측정할 때 보다 조대입자의 계측이 어렵다는 것으로 생각된다.

3. 화상해석법을 이용한 다분산계의 입도측정에서는 현미경 측정 방법상의 차이로 측정에 어려움이 있었고, 시료의 특성상 많은 데이터를 가지고 결과를 해석함이 요구됨을 알았다.

본 연구를 위해 입도분포측정에 협력해준 (주)욱성화학과 시료를 제공해준 (주)왕표화학에게 심심한 사의를 표한다. 본 연구는 부산대학교 발전기금 연구조성비의 지원을 받아 이루어진 것으로 대학당국에 사의를 표한다.

참고문헌

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

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

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

3) Lange, H.: "Comparative Test of Methods to Determine Particle Size Distribution in the Submicron Range", Part. Part. Syst. Charact. 12, 148-157 (1995).

4) 粉體工學會編 : 粒子徑計測技術, 8장 레이져 회절 산란법 pp. 145-168, 11장 화상해석법, pp. 215-217, 12장 전기적 검지대법, pp. 199-204, 日刊工業新聞社 (1994).

5) 최우식, 정한영, 김성수, 허병수, 이미려 : 초미립자에 대한 레이저 회절·산란법을 적용한 입도측정방법의 비교검토, 약학연구지, 31(2), 51-66 (1997).

6) 최우식, 정한영, 윤병로, 강진희, 김성수, 김현수 : 초미립자에 대한 입도분포측정법의 비교연구(2) 입자형상의 검토, 약학연구지, 33, 31-45 (1999).

7) 早川修, 中平兼司, 椿淳一郞 : □-□回折·散亂法□□□最適屈折率□推定法---□□□□□□□□□原料粉體□場合---, 粉體工學會誌, 30(9), 653 (1993).

8) 椿淳一郞, 神保元二 : 化學工學論文集, 4, 432 (1978).