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오츠카전자 ㈜
LCD, PDP 사업부
Light Scattering , 계측기 사업부
(ZETA-Potential, Particle Size Analyzer,
고농도Particle Size Analyzer ,Light Scattering,
용출시험기, UV-Vis Spectrophotometer)
의료장비 사업부
Otsuka Electronics Co.,Ltd
신소재해석
Material Characterization
●레이저광산란법(Laser light scattering)
·입경
·절대분자량
·ζ전위
ELS-8000/6000
(Particle size)
(Molecular weight)
(Zeta-potential)
DLS-7000/SLS-6000
DLS/ELS/FPAR
DLS/SLS
ELS
FPAR-1000
Dynamic Light Scattering
Products of Material Characterization
Otsuka Electronics Co.,Ltd
신소재해석
입경
Particle Size
Particle Size Distribution
입경분포
입자경
3nm~5μm (He-Ne Laser)
1.4nm~5μm (Ar Laser)
전자현미경(EMS)값과의 비교
1 mm
전
분
1
1 0 0 nm
1000
1 0 nm
100
1 nm
d(E MS)
Lysozyme
t - RNA
( 3x3 x4nm)
1
(4X5X6nm)
폴리스틸렌라텍스
1
10
100
d(DLS)
1000
nm
분
말
활
성
탄
10
nm
1
측정법
100
Dynamic Light Scattering
10
입자명칭
세
재식
염
동적광산란법
측정범위
Material Characterization
콜
로
이
드
상
태
실
리
카
금
속
미
립
자
화
장
품
, 유
베기
이안
비료
파
우
더
라
텍
스
,
에
멀
리전
포
좀
카
본
블
랙
미
셀
동
적
광
산
란
법
,
알
곤
램
프
콜
타
카
?
운
레
자
타
연 이
저
침
강 회
법 절
법
,
원
심
침
강
전 법
자
현
미
경
광
학
현
미
경
,
2
차
원
이
미
지
센
서
신소재해석
Material Characterization
측정원리 Principle of Measurement
입경측정 Measurement of Particle Size
셀 블럭
Pinhole
측정 셀
Cell
광전자증배
관
Cell Block
PMT
He - Ne
레이저
He-Ne Laser
핀 홀①
Pinhole
ND필터
ND Filter
He-Ne 레이저 10mW(632.8nm)
He-Ne Laser
브라운운동을 하고
있는 콜로이드 입자
핀 홀②
Brownian movement
광전자증배관
PMT
산란광의 흔들림해석
Fiber-Optics Particle Analyzer
FPAR-1000
• 광자상관법
산란강도의 흔들림
산란강도
자기상관함수
Ln(G2(τ)ー1)
G2(τ)
Contin法
Marquadt法
입경분포
감쇄의 차이로
입자경을 구한다.
시간
(t)
(τ)
상관시간
상간시간
(τ)
小粒子
• FFT法
粒径
(d)
大粒子
산란강도의 흔들림
Curve fit法
(反復法)
산란강도
FFT解析
시간
(t)
(f)
반치폭의 차이로
입자경을 구한다.
Curve fit법으로 해석
大粒子
(f)
입경분포
粒径
小粒子
(d)
서로 다른 입자경의 산란강도와 자기상관함수의 관계
Fiber-Optics Particle Analyzer
FPAR-1000
소입자의 산란강도와 자기산광함수
산란강도
G2(τ)
(t)
소입자의 산란광은 강도가 급격하게 변동한다.
(τ)
소입자의 자기상관함수는 급격히 감쇄한다.
대입자의 산란강도와 자기상관함수
산란강도
G2(τ)
(t)
대입자의 산란광은 강도가 완만하게 변동한다.
(τ)
대입자의 자기상관함수는 완만하게 감쇄한다.
동적광산란법의 해석원리ー①
Fiber-Optics Particle Analyzer
FPAR-1000
●동적광산란법의 원리
산란광의 흔들림을 측정하고, 자기상관함수로 해석하여 얻어지는 G2(τ)은
(1)식으로 나타낼 수 있습니다.
G2(τ)
…(1)
G2(τ)=1+α(G1(τ))2
G2(τ):2차 자기상관함수
G1(τ):1차 자기상관함수
τ:상관시간(μsec)、α:정수
입경이 단분산의 경우,G1(τ)은 指数함수를 사용하여 (2)식으로 나타낼 수 있습니다.
G1(τ)=exp(-Γτ)
…(2)
Γ=q2D
…(3)
q=4πn0/λ0・sin(θ/2)
…(4)
Γ:감쇄정수
D:확산계수(브라운운동)
q:산라벡터
θ:측정각도
n0:용매의 굴절율
λ0:레이저광의 파장
(τ)
여기서, (2)식의 양변에 자연대수를 취하면, (5)식으로 나타낼 수 있습니다.
…(5)
ln(G1(τ))= -Γτ
즉, 자기상관함수의 종축을 자연대수로 표시하여 얻어진 그래프의 기울기에서 확산
계수(Γ)를 얻을 수 있으며, 아인슈타인・스토크의 식을 이용하여 입경(d)을
계산할 수 있습니다.
●아인슈타인・스토크의 식
상기의 이론전개로 얻어진 확산계수D에서, 다음식을 사용하여 입경d를 구할 수 있
습니다.
Ln(G2(τ)-1)
이 초기 기울기로 부터
감쇄정수(Γ)
⇒ 확산계수(D)
⇒ 입경(d)을 구할 수
있다.
…(6)
d=kT/(6πη0D)
d:유체역학적 반경(스토크 반경)
T:절대온도
k:볼트만 정수
η0:용매의 점도
(τ)
Fiber-Optics Particle Analyzer
동적광산란법의 해석원리ー②
●서로 다른 입경분포의 해석 개요
FPAR-1000
粒径分布
Ln(G2(τ)-1)
입경분포해석은,자기상관함수(Ln(G2(τ)-1)의 기울기 성분을
구하기 때문에 상관함수의 형태가 직선인지 곡선인지에 따라,
서로 다른 입경분포가 얻어집니다.
(τ)
(d)
①자기상관함수가 직성일 경우 ⇒ 샤프한 단일분포
Ln(G2(τ)-1)
粒径分布
②상관함수가 완만한 곡선일 경우 ⇒ 완만한 분포
(근접된 다성분 피크)
③상관함수가 극단적인 곡선의 경우 ⇒ 다성분 피크의 분포
(τ)
(d)
Ln(G2(τ)-1)
(τ)
粒径分布
(d)
Fiber-Optics Particle Analyzer
동적광산란법의 개요
산란강도의 흔들림
콜로이드 입자
G2(τ)
산란강도
브라운운동을 하고있는
자기상관함수
FPAR-1000
자기상관함수의 입경・입경분포 해석
Ln(G2(τ)ー1)
粒径分布
小粒子
⇒급속히 감쇄
・핀홀 광학계
小粒子
・광전자증배관
(τ)
(t)
⇒브라운운동이 격심하다.
산란강도
・小粒子
(d)
⇒산란강도가 심하게 변동
G2(τ)
PM
(τ)
Ln(G2(τ)ー1)
粒径分布
大粒子
⇒완만히 감쇄
・大粒子
⇒브라운운동이 완만하다.
大粒子
(τ)
(t)
(τ)
(d)
⇒산란강도가 완만하게 변동
G2(τ)
혼합샘플
(τ)
⇒급속한 감쇄성분과 완만한
감쇄성분이 섞여 있다.
Ln(G2(τ)ー1)
혼합샘플
(τ)
⇒서로다른 기울기 성분이
섞여있다.
粒径分布
혼합샘플
(d)
⇒서로다른 입경성분이 입경
분포로 해석된다.
Electrophoretic
Light Scattering
Products of Material Characterization
Otsuka Electronics Co.,Ltd
신소재해석
제타전위
Material Characterization
Zeta-Potential
전기영동광산란법(레이저 도플러법)
Electrophoretic Light Scattering
표면전위
Stem면
Stem전위
콜로이드입자의 계면화학적 성질
Zeta전위
제타전위 측정범위:-100mV~100mV
미끄러운면
pH Dependency of Size &
Zeta-Potential of Al2O3
pH에 의한 δ-아루미나의
제타전위와 입경의 변화
(표면부터의 거리)
분산,응집,안정성,입자 기능성의 제어 지표
Zet a Pot ent i al
( mV)
(nm)
○:δ-마루미나의
pH를 변화시
켰을 때의 제타전위의 변화
1800
+40
1600
+20
1400
1200
Electric
Repulsion
하전의 중화
1000
0
하전
800
-20
600
400
-40
Dispersion (분상,안정)
(Stabilization)
(불안정,응집)
Aggregation
(Unstable)
:δ-아루미나의
pH를 변화시켰을
때의 입경의 변화
200
14
(
)
전기이중층모델과 각종전위
입
자
표
면
미끄러운면
Zeta전위
표면에서의 거리
입자의 대전상태와 산란안정화의 모델
미끄러운면
<응집계>
<분산계>
하 전
하전의 중화
①
Zeta전위 : 小
Zeta전위 : 大
입
입
경 :大
경 :小
②
③
① 콜로이드 입자
② 고정층
③ ζ전위를 포함하는 이온의 확산층
상이한 계면활성제에 의한 분산안정화
~ 입경의 경시변화와 Zeta전위의 관계 ~
A:물에 분산
계면활성제에 의한 산화티탄(TiO2)의
입경경시변화에 따른 분산·안정화
ζ電位=-17.34mV
A:물에 분산
E:헥사메탄산나트륨 사용
ζ電位=-48.86mV
E:핵사메탄산나트륨
Zeta전위의 측정원리
Principle of Measurement
ー Zeta Potential -
Otsuka Electronics Co.,Ltd
전기영동광산란법의 측정원리
~ 레이저도플러법에 의한 측정원리 ~
전기영동광산란법의 해석원리-①
파워스팩트럼
전기영동광산란법의 해석원리-②
Smoluchowski식과 Hukel식의 비교
Smoluchowski식
Hukel식
 = 4u / 
 = 6u / 
:제타전위, :정도, u:이동도, :유전율
:제타전위, :정도, u:이동도, :유전율
Zeta전위를 포함하고
있는 이온의 확산층
고정층
Zeta전위를 포함하고
있는 이온의 확산층
고정층
콜로이드 입자
콜로이드 입자
전기침누류의 해석원리
~ 모리·오까야마의 식을 사용 ~
< 모리·오까야마의 식 >
입자의 전기영동과 용매의 전기침투류
~ 실제 입자의 Zeta전위를 구하기 위하여 ~
(1)셀내에서 입자의 전기영동
마이너스 전하 입자를 예로 들면, 입자는 셀의 어
느 위치에서 든지 같은 속도로 플라스전극쪽으로
전기영동합니다.
(2)셀내 용매의 전기 침투류
셀내에 가득찬 용매는 셀 근방에서 셀표면의 전하
(통상 석영글래스의 경우는 마이너스로 대전하고
있다)에 의해 역 플러스전하를 띄고 있습니다. 이
때문에 이 계에 전장을 걸면 플러스로 하전된 셀근
방의 용매가 마이너스전극 측으로 영동하여, 셀 중
앙에서는 역 플러스전극 측으로의 흐름이 생깁니
다.
이 영동현상을 전기침투류라고 부릅니다.
정
지
면
(3)셀내 입자의 외관 전기영동
입자는 용매 중에 분산되어 있기때문에 셀내에 있
어서 입자의 외관 전기영동에는 용매의 전기침투
효과가 포함되어 있습니다.
때문에 셀내에서 전기침투효과가 외관상 없어지는
위치 즉, 정지면에서 측정하지 않으면 실제입자의
전기영동을 측정해야만 한다.
정
지
면
전기침투류 측정에 의한 高精度 Zeta전위측정
~ 평판시료의 표면Zeta전위측정의 응용 ~
(4)더러워진 셀에있어 용매의 전기침투류
셀내벽에 시료가 흡착하거나 침전에 의해 셀 아래
면에 시료가 가라않아 버리면 셀내의 전기침투류 가
변화됩니다.
이 상황에서는 셀의 형태에서 구한 정지면의 위치
와 실제 정지면의 위치가 달라져 버립니다.
정확한 정지면
틀린 정지면
오
염
오
염
(5)더러운 셀을 사용한 경우의 입자전기영동
셀이 더러원진 상태에서 입자의 전기영동을 셀의 형
태로부터 구한 정지면에서 측정을 하면 정확한
Zeta전위를 구할 수 없습니다.
ELS시리즈는 셀내의 다른 위치에서의 외견 전기 영
동을 측정하고, 용매의 전기침누류를 구함 으로써
정확한 정지면을 다시구하기 때문에 항상 실제입자
의 Zeta전위를 측정할 수 있습니다.
또한 이 측정에서 셀의 더러운 상태를 체크할 수 있
음과 동시에 평판시료용 셀을 사용함으로써 평판 상
태의 고체시료의 표면 Zeta전위를 측정할 수있게
되었습니다.
정확한 정지면
틀린 정지면
혼합시료의 Zeta전위
~ 5종류의 폴리스틸렌라텍스 혼합계~
라텍스혼합시료의 Zeta전위분포 측정
(1)라텍스혼합시료의 Zeta전위 분포
시 료:폴리스틸렌라텍스 5종류
입경치:137nm, 212nm, 394nm,605nm,1000nm
(PS Latex605nm는 HPC코팅처리)
용 매:1.5mg/ml SDS를 포함하는 10mM NaCl수용액
(1)라텍스혼합시료의 Zeta전위분포
5종류의 라텍스입자 각 성분의 Peak가 관측되고 있다.
(2)셀내에서 관측되는 혼합시료의 외관 Zeta전위분포
라텍스입자의 Zeta전위분포가 셀내의 전기침투류에 의해,
관측하는 셀위치에 따라서 평행이동하고 있는 것을 알 수
있다.
(2)셀내에서 관측되는 혼합시료의 외관Zeta전위분포
pH에 의한 σ-알미늄의 Zeta전위와 입경의변화
p H に よ る δ-ア ル ミ
の
( pH Dependency
ofナSize
& Zeta-Potential of Al2O3)
ゼ ータ 電位 と 粒 径の 変化
平均粒径
Zet a Po t ent i al
( n m)
( m V)
: δ- アルミ ナのp H を 変化さ せた時
のゼータ 電位の変化
+4 0
1800
1600
+2 0
1400
1200
0
1000
800
600
-2 0
400
: δ- アルミ ナのp H を 変化さ せた時
-4 0
200
の粒径の変化
0
2
4
6
8
(p H ) 10
12
14
AOT첨가에의한 Zeta전위변화
프린터용 칼라잉크의 Zeta전위
●프린터용 잉크의 측정
각 색의 유기안료의 Zeta전위
안료메이커 뿐만아니라 프린터를 제조하는
메이커도 Zeta전위를 측정.
1)각 색에서 Zeta전위치가 다르다.
↓
각각의 색에서 안정시키는 것이 중요
2)분산된 상태를 유지하는 것이 중요
↓
응집하여 굳으면, 잉크젯 등에서는
분사가 되지 않아 색무라로 이어진다.
+22.6mV
+19.2m
V
-5.1mV
제품수명, 품질향상을 위한 조건검토
43.2mV
신소재해석
Material Characterization
(Electrophoretic Light Scattering)
●광촉매기능을 가지는 산화티탄의 표면처리에 의한 Zeta전위의 변화
(산성비의 pH영역)
산화티탄 표면처리
80
표면처리 없음
Zeta전위mV)
60
40
SiO2처리
20
Al2O3처리
0
SiO2+Al2O3처리
-20
-40
-60
-80
2
3
4
5
9
pH
6
7
8
오염입자가 마이너스
전하를 가질 경우,
실리카처리를
하게되면 음전하
끼리의 반발에 의한
오염흡착방지 효과가
기대된다.
산소플라즈마 처리 전후의 Carbon Black의 표면특성
pH
CB-0
CB-5
CB-10
CB-20
CB-30
6.39
6.00
5.05
4.74
6.34
acid value
(meq/g)
1200
1500
1900
2200
1400
base value
(meq/g)
300
400
700
700
600
Zeta potential (mV)
-15
-20
-25
-30
0
5
10
20
30
Time (min)
Table. Results of pH and Acid-Base Values of
the Carbon Black Treated by Oxygen Plasma Studied.
Figure . Zeta potential of
the carbon blacks by Oxygen Plasma studied.
정전기적 안정성과 입체안정성의 차이
정적기적 안정성이란
콜로이드나 무기물입자에 이온교환
(ex: pH의 변화 , 이온세기의 변화)
에 의하여 분산되는 메커니즘
(DLVO, Van Der Walls에 관계)
저농도 입자의 가교형성
중농도 입체안정성 형성
고농도 고분자의 고갈 또는
결합
5
Zeta potential (mV)
입체안정성이란
콜로이드나 무기물입자에 고분자
첨가물로 분산하여 입자의 코팅
또는 안정성을 주는 메커니즘
no dextran
no dextran
dextran 6.25%
dextran 6.25%
dextran 12.5%
dextran 12.5%
10
0
-5
-10
-15
-20
2
4
6
8
10
pH
공기중의 Ferrofluid에 pH변화에
따른 ZETA-Potential
12
고체표면의 Zeta전위측정
Application Data of Surface Zeta Potential
Otsuka Electronics Co.,Ltd
고체표면의 Zeta전위측정 가능성
입자 이외의 샘플은 측정할 수 없는가?
평판시료용 셀
평판상태시료의 고체표면 Zeta전위 측정원리
고체샘플표면
셀의 한쪽면을 평판상태
시료로 교체하면 셀내의
전기침투류는 시료표면의
Zeta전위에 의존하므로,
전기침투류를 관측함으로
써 평판시료의 표면Zeta
전위를 측정할 수 있습니
다.
Fluorinated Carbon fiber의 표면 변화
(a) Zeta potential - pH plot of
fluorinated Carbon fibers
(b) Zeta potential –KCl concentration plots for
fluorinated Carbon fibers
PET필름표면의 Zeta전위
~ 산화처리에 따른 표면전위의 변화 ~
PET필름 표면처리(산화처리) 전후
의 표면Zeta전위 측정
ZETA-Potential과 표면전하밀도 및 흡착량의 관계
80
2
surface charge density (X 10 , c.s.u./cm )
7
6
5
-2
zeta potential (mV)
60
basic yellow 28
basic red 18
basic blue 22
40
20
0
4
3
2
1
0
2
3
4
5
6
7
8
2
3
4
pH
5
6
7
아크릴섬유에 pH변화에 의한 ZETA-전위의 영향
아크릴 섬유에 pH변화에 의한 표면전하밀도의 영향
14
12
10
surface dye adsorption
-10
2
(X10 , g/cm fibers)
8
pH
8
6
아크릴섬유에 pH변화에 의한
염료 흡착량의 영향
4
2
2
3
4
5
pH
6
7
8
접촉각 측정과 ZETA-Potential의 관계
-20
Zeta potential (mV)
60
40
Ne 50 keV
Ne 150 keV
Na 50 keV
Na 150 keV
20
-40
-60
Ne 50 keV
Ne 150 keV
Na 50 keV
Na 150 keV
-80
0
0.0
14
15
100
-100
0.0
17
105
110
14
15
100
17
105
2
110
2
Fluence (ions/cm )
Fluence (ions/cm )
Ne-bombarded 와 Na-implanted PS의 Fluence 와 접촉각
Zeta potential (mV)
Contact angle (deg)
80
Fluence 와 ZETA-Potential 과의 관계
-20
(a)
(b)
-30
-40
Na 50 keV
Na 150 keV
Ne 50 keV
Ne 150 keV
-50
-60
0
25
ZETA-Potential과 접촉각 과의 관계
control
50
Contact angle (deg)
75
100
실리콘웨이퍼의 접촉각 측정과
Surface Zeta-Potential과의 관계
Hydrophilicity (25°)
Surface Zeta Potential: -40.23 (mV)
Hydrophobicity (137°)
Surface Zeta Potential: -23.12 (mV)
유리표면에 양이온계면활성제의 흡착
(1)마이너스로 하전한 유리판표면의
Zeta전위 측정(BLANK실험)
표면의Zeta전위=-58.4mV
(용매:1mM NaCl용액)
(2)유리표면의 마이너스전하가 CTAB의
유리전하에 의해 중화된상태
표면의 Zeta전위=+1.3mV
(용매:1x10-5mol/l CTAB
를 포함하는 1mM NaCl용액)
(3)유리표면에 과잉 CTAB가 흡착하여
표면이 플러스로 하전한 상태
표면의 Zeta전위=+48.4mV
(용매:1x10-4mol/l CTAB
를 포함하는 1mM NaCl용액)
실리콘웨이퍼의 계면활성제흡착과
세정에 의한 Zeta전위변화
●실리콘웨이퍼상의 산화막의 표면전위
및 계면활성제의 흡착· 세정에 있어서의
표면전위의 변화
측정순서
1)실리콘웨이퍼(30x60mm)를 세트
2)10mMNaCl수용액에 분산시킨 모니터
라텍스를 사용하여 측정
3)상기의 용매에 카티온성계면활성제
(10-5MCTAB)를 첨가하여 웨이퍼
위에 계면활성제를 흡착시킨 상태에
서 표면전위를 측정
4)10mMNaCl수용액 50ml로 셀 내부를
세정
5)2)와 같은 용매를 사용하여 세정 후
시료의 표면전위를 측정
신소재해석
●외벽재(타일)의 표면전위 측정
Material Characterization
평판 셀로 측정
태양광
타일표면에 코팅한 광촉매의 효과 검토
HOHOHOHOHOHO-
더러움이 고착되지 않고 잘 씻겨내림
항균작용
기재
친수효과 발생의 메커니즘
빛이 닿으면 친수기(-OH)가 증가하여
물과 친해지기 쉬운 상태가 됨.
↓
더러움과 타일사이에 물이 침투하여
더러움이 들뜨게 하여 씻어냄
표면에 태양광(자외선)
이 닿으면
基材
기재
표면이 물과 친해지기 쉬운
친수기(-OH)가 증가
신소재해석
평판셀을 사용한 전위측정
Field
New materials
(in bulk)
응용례
분분
신소재 개발
(벌크,시트 狀)
표면처리제
표면개질제
코팅제 등의 개발
신소재개발
(콜로이드 분산계)
응용례
●세라믹(반도체,압전소자,인공뼈,유리기판)
●고분자수지
의료용 재료(인공장기,콘텍트렌즈)
기록 기억재료 (자기테이프,광디스크)
포장재료(폴리병,랩,플라스틱용기)
감광성수지(포토레지스트)
절연재료,고기능성선택투과막,고강도섬유
엠플러,에라스토마
●라텍스제품
●섬유
●의료재료,치과재료,필터 등의 단백질
균 등의 흡착방지제
●자동차나 마루,욕조등의 녹방지,더러움 방지(도장,왁스)
●방수스프레이,정전기방지제,차창 등의 발수성코팅
●LB막
●약품이나 식품과 용기의 상호작용 방지게
●토너(종이나 판에 잉크의 발림성 정도)
●화장품,샴푸,트리트먼트제
(피부나 머리카락에 미치는 영향)
●세정제,유연제(섬유에 미치는 영향)
●약품,마리크로캅셀(인체의 영향,pH의존성 등)
●시멘트,접착제(느러붙기 쉬운 정도)
Surface treating
agents
New materials
(colloids)
Material Characterization
Application Examples
Ceramics (semiconductors, artificial bones, glass substrate)
Polymer resin
Medical use (artificial organs, contact lens)
Recording media (magnetic tape, laser disk)
Packing material (plastic container, thin-film wrapper)
Photosensitive resin (photoresist)
Insulating material
High-functional selectively permeable membrane
Very strong fibers
Engineering plastics
Elastomer
Latex products
Fibers
Inhibitor of adsorption of protein or bacteria to medical/dental
goods or filters
Rust inhibitor for cars, floor, bath tab, etc. or contamination inhibitor (paint, wax, etc.)
Water-resistant spray, static electricity inhibitor, material to coat
on car windows to repel water
LB film
Inhibitor against the interaction between drugs/foods and a conttainer
Toner (fitness to paper, plate, etc.)
Cosmetics, detergents (influence on skin or hair)
Cleaner, softener (influence on fiber)
Drugs, microcapsules (influence on human body, e.g. pH dependency)
Cement, adhesive (stickiness)
Zeta전위 측정결과 출력례
측정자, 샘플의 정보
전기침투플롯표시
정지면과 셀오염의 확인
Zeta전위분포표시
성분 마다 Zeta전위를 표시
Zeta전위 해석결과
해석결과의 상세를 표시