접촉각 이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰때 가지는 각을 말합니다. 표면과 시약사이에서 이루는 접촉각의 측정은 접착 (adhesion), 표면처리 그리고 폴리머 표면 분석과 같은 많은 분야에서 잘 알려진 분석 기술로서, 수Å 단위의 단일층 변화에도 민감한 표면 분석 기술입니다.
접촉각(θ)은 고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된(sessile) 물방울에 의해 측정됩니다.
낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성, hydrophilic)과 높은 표면 에너지를 나타내고 높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성, hydrophobic)과 낮은 표면 에너지를 나타냅니다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉접에서 측정됩니다.
접촉각은 크게 정접촉각과 동접촉각으로 나뉘어집니다.
정접촉각은 일반적으로 젖음성 측정을 위해 사용되며 주로 Sessile drop 방법을 이용하여 측정됩니다. 그리고 용액을 바꾸어 가면서 표면의 특성을 알아낼수 있다는 겁니다. 이 방법의 장점은 물체의 한쪽면 만을 이용하고 사용하는 시약의 양이 매우적어서 경제적이라는 것입니다. 또한 시편의 크기가 작아도 (손톱보다 작아도 됩니다) 충분히 측정해 낼 수 있다는 겁니다.
여기서 베이스 라인(base line)인 'B'와 접선(tangent)을 이루는 'T'사이의 각인 theta는 접촉각을 나타냅니다. 여기서 작용하는 힘은 각각 액체-기체, 고체-기체, 고체-액체 상호간 크기와 방향을 가지는 벡터로 계면 에너지를 나타내게 됩니다.
이러한 관계를 성립하게 하는 방정식이 Young의 방정식인데, Young의 방정식은 평탄하고(smooth) 균질하며 변형되지 않는 이상적인 표면에서 유도된 식으로 하나의 안정한 접촉각을 갖습니다.
그러나 실제표면에서는 표면 거칠기(surface roughness), swelling 현상, 고체 표면의 화학적 불균질성 때문에 하나 이상의 접촉각을 나타내게 됩니다. 그렇다고 해도 그 편차가 매우 큰 것은 아닙니다. 똑같은 물방울을 가지고도 측정 각도나 측정 방법에 따라서 약간의 오차가 생깁니다. (+2도~-2도)
*접촉각과 표면 장력의 차이
접촉각과 표면장력은 우선 개념부터가 차이가 있습니다.
표면장력(surface tension)은 액체의 표면에너지와 같은 개념으로 액체내의 전기음성도의 차이, 반데르발스 결합력 등의 영향으로 일어나는 것입니다. 물 같은 경우는 수소분자가 산소분자로의 전기음성도 편재현상이 심하므로 값이 크게 나옵니다.(72.8mN/M at 20'C)
접촉각은 고체의 개념입니다.
고체면에 액체를 떨어뜨렸을 때 액체의 표면장력과, 고체의 표면에너지, 그리고 액체과 고체간의 계면장력등의 상관관계로 일어나는 현상입니다.
그러므로 주로 고체의 물성을 측정할 때 접촉각을 측정하여 접착성, 도포성, 인쇄성 등을 예측하고 또 고체의 에너지 값을 계산하기 위하여 접촉각을 측정하기도 합니다.
