요구르트 컵 뚜껑을 열면 요구르트가 뚜껑에 붙을 때도 있고 안 붙을 때도 있다는 것을 눈치채셨나요?왜 이런 일이 발생할까요?
그 해답은 뚜껑의 발수성 수준에 있음이 밝혀졌습니다. 발수성이 낮은 뚜껑에는 요구르트가 달라붙지만 발수성이 높은 뚜껑에는 달라붙지 않습니다.
왼쪽: 요구르트가 달라붙지 않음(높은 발수성).오른쪽: 요구르트가 달라붙음(낮은 발수성).
발수성은 특정 기능을 위해 식품 포장에 사용되는 필름의 표면을 처리하여 추가하는 다양한 특성 중 하나입니다.식품 포장에는 다음과 같은 다양한 기능이 필요합니다.
- 식품의 신선도와 품질 유지
- 소비자가 쉽게 다룰 수 있도록 함(예: 포장 개봉)
- 오염 방지 표면 만들기
접착력 저하로 의한 식품 손실 감소 등 식품 포장의 특정 기능에 대한 요구가 증가하고 있으며,그에 따라 패키징 기술도 발전하고 있습니다.필름 표면에 이러한 처리를 추가했으면 표면 거칠기를 통해 측정한 검사로 품질을 확인해야 합니다.
흔히 3D 레이저 공초점 현미경을 사용하는 표면 거칠기 검사는 필름 표면에 있는 미세한 요철의 거칠기를 측정하고 수치로 정량화합니다.최근 실험에서 저는 LEXT™ OLS5100 3D 레이저 컨포칼 현미경을 사용하여 두 개의 다른 요구르트 뚜껑에서 발수성과 표면 거칠기 사이의 관계를 조사했습니다.
그 결과를 보려면 계속 읽으세요!
요구르트 뚜껑의 육안상 표면 상태 확인
먼저 OLS5100 레이저 컨포칼 현미경을 사용하여 요구르트 뚜껑 뒷면의 육안상 표면 상태를 3D로 살펴보았습니다.
뚜껑은 반사 특성이 강한 알루미늄층을 포함하여 여러 필름층으로 이루어져 있습니다.필름의 가장 바깥쪽 표면의 모양을 정확하게 포착하려면 하부 알루미늄층으로부터 강한 반사의 영향을 받지 않는 데이터를 얻는 것이 중요합니다.초점 심도가 얕은 고배율 대물렌즈를 사용하면 하부층에서 오는 강한 반사의 영향을 줄이고 필름의 가장 바깥쪽 표면에서만 데이터를 수집할 수 있습니다.
OLS5100 현미경은 405nm의 레이저 파장에 적합하며 수차를 억제하는 전용 LEXT 대물렌즈를 사용합니다.이 설정을 사용하면 전체 관측 시야에서 정확한 데이터를 얻을 수 있습니다.
전용 LEXT 대물렌즈(왼쪽부터): 10배 저배율 대물렌즈, 20배, 50배, 100배 고성능 대물렌즈, 20배, 50배, 100배 긴 작동 거리 대물렌즈.
3D 데이터 획득을 통해 발수성 높은 요구르트 뚜껑의 맨 아래 표면에 다양한 크기의 동그랗고 볼록한 응집체가 무작위로 흩어져 있음을 육안으로 명확하게 볼 수 있습니다.그에 비해 발수성 낮은 뚜껑에는 눈에 띄는 볼록한 모양이 없습니다.
OLS5100 레이저 컨포칼 현미경으로 두 개의 요구르트 뚜껑에서 찍은 시각적 3D 데이터.왼쪽: 발수성 높은 요구르트 뚜껑(50배 대물렌즈, 약 250µm).오른쪽: 발수성 낮은 요구르트 뚜껑(50배 대물렌즈, 약 250µm).
발수성 높은 샘플의 표면 상태를 이해하려면 연잎과 브로콜리 표면을 살펴보세요.연잎과 브로콜리 표면에서 물을 밀어내 물방울이 아래로 떨어지는 것을 보셨을 것입니다.이러한 표면에는 프랙탈 구조라고 하는 미세한 요철 모양이 있습니다.이 모양 덕분에 물을 밀어낼 수 있습니다.프랙탈 구조는 비슷한 모양이 서로 다른 크기로 반복되는 형태를 말합니다.
연잎(왼쪽)과 브로콜리(오른쪽)의 발수성
이러한 자연스러운 모양에서 영감을 받은 이 프랙탈 구조는 발수성 높은 요구르트 뚜껑에도 적용됩니다.위의 예에서, 50배 대물렌즈를 사용하여 관측 시야 하나(약 250µm)의 데이터를 표시했습니다.
더 넓은 관측 시야에서 표면 거칠기 데이터 획득
다음으로, 발수성 높은 요구르트 뚜껑의 뒷면에 이 볼록한 모양이 어떻게 분포되어 있는지 알아보기 위해 더 넓은 영역에서 데이터를 획득했습니다.
뚜껑 뒷면의 가장 바깥쪽 표면에서만 데이터를 수집하려면 고배율 대물렌즈가 효과적입니다.그러나 하나의 관측 시야는 범위가 너무 좁아 데이터를 모두 캡처할 수 없습니다.
OLS5100 현미경의 스티칭 기능을 사용하면 고배율 대물렌즈를 사용하여 캡처한 개별 이미지를 연결해 더 넓은 관측 시야에서 고해상도 이미지를 만들 수 있습니다.
왼쪽: 스티칭 전의 개별 2D 이미지.오른쪽: 스티칭 후의 2D 이미지.
아래에서 하나의 관측 시야(오른쪽)에 무작위로 흩어져 있는 볼록한 응집체의 모양이 관측 시야를 넓혀도(왼쪽) 비슷한 분포를 보이는 것을 알 수 있습니다.이 볼록한 응집체는 프랙탈 구조로 되어 있습니다.
왼쪽: 3 × 3 스티칭 이미지(50배 대물렌즈, 약 700µm).오른쪽: 하나의 관측 시야(50배 대물렌즈, 약 250µm).
요구르트 뚜껑의 표면 상태 정량화
위의 이미지는 다음 상태를 시각적으로 보여줍니다.
- 발수성이 높은 필름과 발수성이 낮은 필름은 표면 상태가 크게 다름
- 발수성이 높은 필름에 볼록한 응집체가 있음
- 이 볼록한 응집체는 프랙탈 구조(이미지를 서로 스티치하여 하나의 넓은 관측 시야에서 관찰하더라도 유사하게 볼록한 응집체가 흩어져 있는 구조)로 되어 있음
이러한 결과에 따라, OLS5100 3D 레이저 컨포칼 현미경으로 표면 거칠기를 측정하여 이 두 개의 덮개에서 표면 상태를 정량화했습니다.
일반적으로 거칠기 평가에는 한 줄의 데이터를 획득하는 스타일러스 방식의 표면 거칠기 시험기를 흔히 사용합니다.그러나 국부적으로 요철이 흩어져 있는 모양(예: 발수성 높은 표면)에서는 스타일러스가 그리는 선에 따라 거칠기 값이 크게 달라집니다.또한 스타일러스가 샘플에 접촉하면 샘플이 손상되어 측정 중에 위험이 발생할 수 있습니다.
그에 반해, 3D 레이저 공초점 현미경은 접촉 없이 표면 데이터를 얻을 수 있습니다.레이저 빔을 스캔하여 데이터를 얻는 것입니다.이 프로세스를 통해 스타일러스로 얻는 한 줄의 데이터보다 더 많은 표면 모양의 정보를 얻을 수 있습니다.
왼쪽: 스타일러스가 샘플 표면을 손상시킬 수 있음.오른쪽: 3D 레이저 공초점 현미경을 사용한 비접촉식 측정은 샘플을 손상시키지 않음.
왼쪽: 스타일러스 방식의 표면 거칠기 시험기로 얻는 데이터는 한 줄의 정보만 제공함.오른쪽: OLS5100 3D 레이저 컨포칼 현미경은 전체 평면에서 정보를 획득함.
넓은 관측 시야(약 700 µm)에서 얻은 데이터를 표면 거칠기 측정에 사용했습니다.
표면 거칠기에 적합한 데이터를 얻으려면 샘플의 표면 기능에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요철 모양 10개 이상이 포함된 관측 시야를 가지고 평가하는 것이 중요합니다.
이것이 위의 발수성 높은 샘플에서 무엇을 의미하는지 살펴보겠습니다.하나의 관측 시야(50배 대물렌즈, 약 250µm)에서 볼 수 있는 볼록한 응집체 각각을 발수 기능을 제공하는 특징적인 모양의 요소라고 보면, 더 넓은 관측 시야에서 볼록한 응집체 10개 이상을 캡처해야 합니다.볼록한 응집체 10개 이상을 캡처하기 위해, 표면 거칠기를 평가하는 데 3 × 3 스티칭 이미지가 있는 광시야 데이터를 사용했습니다.
요구르트 뚜껑 두 개의 표면 거칠기 측정 결과
50배 대물렌즈를 사용하는 3D 레이저 현미경을 통해 덮개 두 개의 뒷면에서 다음과 같은 결과를 얻었습니다.
| 샘플 | Sp[µm] | Sv[µm] | Sz[µm] | Sa[µm] | Sdq | Sdr[%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 높은 발수성_50×z1_3×3 | 28.419 | 9.597 | 38.016 | 4.297 | 2.082 | 31.562 |
| 낮은 발수성_50×z1_3×3 | 2.044 | 7.434 | 9.478 | 0.471 | 0.127 | 0.561 |
주목해야 할 매개변수는 Sp, Sz, Sa, Sdq 및 Sdr입니다.이 매개변수의 개요는 다음과 같습니다.
Sz(최대 높이) 및 Sp(최대 꼭대기 높이)
Sz 값을 보면 평균 표면에서 요철의 크기를 알 수 있습니다.Sz는 최대 꼭대기 높이(Sp)와 최대 골짜기 깊이(Sv)의 합입니다.여기서 주목해야 할 점은 Sp와 Sv의 차이가 Sp에서만 크다는 것입니다.이 예에서 이 데이터는 발수성이 높은 뚜껑의 평균 표면에 볼록한 모양이 많음을 보여줍니다.
Sa(산술 평균 높이)
Sa는 평균 표면과 비교한 높이 차이의 평균값을 나타냅니다.Sa 값이 큰 발수성이 높은 뚜껑은 요철이 더 큽니다.
Sdq(제곱 평균 제곱근 기울기)
Sdq는 표면 요철의 국부 기울기의 평균 크기를 나타냅니다.Sdq 값이 큰 발수성이 높은 뚜껑은 요철이 커져 표면의 광택이 줄어듭니다.
Sdr(확장 인터페이스 면적비)
Sdr은 표면적의 증가 비율을 나타냅니다.발수성이 높을수록 기복이 커지고 표면적이 커집니다.
표면 거칠기 데이터를 통한 뚜껑의 발수성 이해
발수성 뚜껑의 표면을 프랙탈 구조로 만들면 요구르트와 뚜껑의 접촉 영역이 줄어듭니다.이 표면 모양에서는 요구르트가 물방울을 형성해 필름에 달라붙지 않습니다.접촉 영역이 감소한다는 것은 필름의 표면적이 커지고 표면이 고르지 않다는 의미입니다.그에 반해, 발수성이 낮은 뚜껑은 표면적이 작고 표면이 고르기 때문에 접촉 영역이 큽니다.접촉 영역이 증가하면 접착력도 증가하기 때문에 요구르트가 이 뚜껑에 달라붙는다는 결론을 내릴 수 있습니다.
발수성 수준과 표면 거칠기 데이터의 관계는 다음과 같습니다.
 |  |
| 발수성이 높은 요구르트 뚜껑 | 발수성이 낮은 요구르트 뚜껑 |
| 요구르트 접촉 영역: | 작음 | 큼 |
| 불균일성(Sp/Sz/Sa): | 큼 | 작음 |
| 불균일성의 국부 기울기(Sdq): | 큼 | 작음 |
| 표면적(Sdr): | 큼 | 작음 |
