SOP Architect를 이용한 초음파 적정: 습식 시료 분산의 최적 조건 결정

소개

시료가 적절하게 분산되었는지 확인하는 것은 입자 크기 측정 방법 개발 프로세스에서 중요한 단계입니다. 습식 분산에서는 응집체를 효과적으로 분산하기 위해 초음파를 수단으로 사용하는 경우가 많습니다. 하지만 초음파의 강도와 지속 시간을 적절히 조절해 분산은 이루면서도 원치 않는 부작용은 피하는 그 ‘최적점’을 찾는 일은, 특히 경험이 적은 사용자에게는 어려울 수 있습니다… 적어도 우리는 그렇게 생각했습니다! Mastersizer 3000+의 SOP Architect에 초음파 적정 기능이 새롭게 추가되어, 이제 습식 시료의 분산 조건 최적화가 그 어느 때보다 간편하고 정확해졌습니다. 

SOP Architect 소개

SOP Architect는 습식 분산 방법을 개발하기 위한 Mastersizer Xplorer 소프트웨어 내의 지능형 AI 도구입니다. SOP Architect는 화면에 표시되는 프롬프트, 추가 정보에 대한 링크 및 자동화된 측정 작업을 조합하여 처음부터 끝까지 사용자가 우수한 시료 품질을 자신 있게 개발하는 방법을 안내합니다. 이 제품은 새로운 초음파 적정 단계를 포함하여 워크플로 내에서 8개의 개별 단계가 있는 포괄적인 솔루션입니다(그림 1 참조).

그림 1: SOP Architect가 사용하는 방법 개발 워크플로

시료 분산의 중요성 

컴퓨터 과학에서는 '무가치한 데이터를 넣으면 무가치한 결과가 나온다(garbage in, garbage out)'이라는 말이 있습니다. 즉, 결함이 있거나 품질이 낮은 데이터를 사용하면 유사하게 낮은 품질의 결과가 나온다는 뜻입니다. 입자 크기 분야에서도 시료 분산 및 방법 개발에 이와 동일한 개념, 즉 '잘못 분산된 물질이 투입되면 부정확한 데이터가 산출된다.'는 개념을 적용할 수 있습니다. 

시료 분산 조건은 의도한 목적(예: 1차 입자 크기 결정)에 부합하는 시료 분산 상태를 달성하기 위해 적절해야 하며 잘 제어되어야 합니다. 그렇지 않으면 방법 개발의 나머지 부분이 아무리 철저하더라도 입도 분포(PSD) 결과가 정확하지 않습니다.

이는 초음파 적정 설정의 중요성을 강조합니다. 초음파 적용은 계면활성제로 적절한 습윤 및 안정화를 보장하는 것과 함께 습식 시료 분산의 주요 단계 중 하나입니다. 실제로 초음파는 ISO 13320:2020 부록 G에 수록된 다이어그램에서도 핵심적인 공정 매개변수로 명시되어 있습니다.^[1] 

습식 시료 분산을 위한 초음파의 중요성을 고려하여 Mastersizer 3000+의 몇 가지 습식 분산 액세서리(Hydro EV, Hydro MV 및 Hydro LV)에는 인라인 초음파 프로브가 설계에 포함되어 있습니다. 이를 통해 Mastersizer Xplorer 소프트웨어로 제어되는 Mastersizer 내에서 순환하는 시료에 초음파를 직접 적용할 수 있으며 입자 크기 변화에 대한 즉각적인 피드백을 기록할 수 있습니다. 또한 Smart Manager 기능 덕분에 초음파 프로브의 상태를 추적할 수 있으므로 데이터 품질에 영향을 미치기 전에 교체해야 하는 시기를 알 수 있습니다! 

초음파 적정이란 무엇입니까? 

습식 시료의 최적 분산 조건을 결정하는 과정에는 '초음파 적정'이라는 실험이 포함됩니다. 이러한 실험으로 시료를 1차 입자 크기로 분산하는 데 필요한 초음파의 출력과 지속시간을 결정할 수 있습니다. 일반적으로는 다음 단계로 구성됩니다.

1. 일련의 측정을 수행하여 초음파를 적용하지 않고 교반의 영향을 평가합니다. 이는 초음파가 필요한지 아니면 단독으로 교반해도 시료를 분산시키기에 충분한지 판단하는 데 도움이 됩니다.
2. 정해진 강도에서 초음파가 일정한 시간 간격으로 적용되며, 각 간격으로 적용한 후에 입자 크기 데이터(Dv10, Dv50, Dv90 등)가 기록됩니다. 
3. 초음파 강도는 필요한 경우 이전 단계의 결과에 따라 더 높은 또는 낮은 강도로 조정됩니다. 외부 초음파 기술(예를 들어 프로브나 수조 사용)을 사용하는 것도 고려할 수 있습니다. 

그림 2에는 초음파 적정의 예가 나와 있습니다. 시료는 교반 작용에 따라 서서히 분산되지만, 초음파를 적용할 때만 시료이 입자 크기 백분위수가 안정화될 때까지 더 빠른 속도로 분산되기 시작합니다. 초음파가 중단되면 결과는 안정적으로 유지됩니다.

그림 2: 초음파 적정 예시

초음파 적정의 결과는 다음과 같이 다양할 수 있습니다.

• 분산 달성: 위와 같이 시료가 완전히 분산되면서 안정적인 값에 도달할 때까지 초음파를 적용하면 입자 크기 백분위수가 감소합니다. 
• 안정적: 입자 크기 백분위수(Dv10, Dv50, Dv90)와 초음파 지속 시간의 비교 플롯이 평평하고 입자 크기 감소가 관찰되지 않으면, 초음파를 사용하지 않고 시료를 완전히 분산시킬 수 있습니다.
• 연속 크기 감소: 초음파를 사용하는 동안 입자 크기의 연속 감소가 관찰되면 초음파에 의해 1차 입자가 분해되는 중일 수 있습니다. 이 경우 더 낮은 초음파 강도를 권장합니다. 
• 지속적인 크기 증가: 초음파 검사 중에 입자 크기가 지속적으로 증가하는 경우에는 시료가 응집하거나 열이 발생하여 빔의 방향을 변경하는 등의 문제가 있을 수 있습니다. 

가능한 경우 현미경이나 정적 또는 동적 입자 이미징 기기(예: Hydro Insight)를 사용하여 시료의 분산 상태를 확인해야 합니다. 초음파 이전 및 이후에 관찰을 수행하면 응집체가 분산되었는지 또는 깨짐으로 인해 입자 모양이 변경되었는지 알 수 있습니다.

이 경우 초음파가 적용될 때 실시간으로 입자 크기가 어떻게 변화하는지 보여주었습니다. 그러나 초음파를 적용하는 동안 분산제의 가열 등 다른 효과에 의해 PSD가 왜곡될 수 있으므로 항상 가능한 것은 아닙니다. SOP Architect는 먼저 초음파를 적용한 다음 측정을 시작하기 전에 지연을 허용하는 다른 접근 방식을 사용합니다. 

SOP Architect는 어떻게 초음파 적정을 수행합니까? 

SOP Architect의 초음파 적정 단계에서는 Hydro EV, Hydro MV 또는 Hydro LV 액세서리의 내부 초음파를 사용합니다. 

초음파 적정은 다른 테스트(안정성 점검, 교반기 속도 적정, 레이저 광차폐 적정)와 함께 전체 방법 개발 과정의 일부로 선택하거나 특정 요구 사항에 따라 개별적으로 선택할 수 있습니다. 초음파 적정을 수행하지 않으려는 경우에도 SOP Architect를 사용하면 내부 초음파 조건을 정의하거나 외부 초음파의 세부 정보를 기록할 수 있습니다. 적정 선택 페이지에 대한 자세한 내용은 그림 3을 참조하십시오.

그림 3: SOP Architect의 적정 선택 페이지 - 초음파 적정을 선택하지 않음

적정에 사용되는 초음파 강도는 기본적으로 100%입니다. 그러나 초음파 적정을 시작할 때 SOP Architect는 설정의 유연성을 제공합니다. SOP Architect는 시료가 '깨지기 쉬운지 또는 분쇄되는 경향이 있는지' 묻습니다. 이 옵션을 선택하면 초음파 강도가 50%로 감소합니다. '고급 설정'에서 강도를 낮출 수도 있습니다(그림 4 참조). 

그림 4: 초음파 적정 설정 

초음파 적정은 시료를 사전 분산 상태로 추가하라는 메시지가 표시되기 전에 분산제 충진, 정렬 및 배경 측정과 같은 일반적인 측정 전 단계와 함께 시작됩니다. 

먼저, 초음파를 적용하지 않고 시료에 대해 6개의 측정을 수행합니다. 초음파는 30초 간격으로 총 210초까지 적용되며, 간격마다 6번의 측정이 수행됩니다. 데이터를 기록하기 전에 충분한 열 방출이 이루어질 수 있도록 측정 전 지연(물의 경우 30초, 물이 아닌 분산제의 경우 180초)도 적용됩니다.

데이터는 초음파 적정이 진행되는 동안 평가됩니다. 각 초음파 증분 후 생성된 평균 데이터 포인트를 알고리즘을 통해 측정 전후와 비교하여 안정성을 평가합니다. %RSD 값이 관련 ISO 13320:2020 기준 미만이면 시료가 안정적인 것으로 판단되며, SOP Architect가 적절한 분산 조건을 권장할 수 있습니다. 또한 SOP Architect는 시료 안정성에 도달했음을 파악하면 적정을 조기에 완료하므로 사용자는 시간을 절약할 수 있습니다!

초음파 적정 과정에서 SOP Architect가 사용하는 알고리즘은 다양한 시료 유형으로 테스트되었으며, 입자 크기 전문가에게 유사한 조건을 권장하는 데 100%의 성공률을 보여줍니다(표 1 참조). 

표 1: SOP Architect 성능과 전문가 사용자 비교

데이터 평가에 따라 SOP Architect는 다음 중 하나의 결과를 제시합니다.

적정이 성공한 경우 SOP Architect는 시료에 사용할 초음파의 강도와 지속 시간을 권장합니다. 여기에서 SOP Architect는 초음파가 필요하지 않다고 조언할 수도 있습니다. 어떤 경우든 이러한 세부 사항은 SOP Architect가 완료한 후 생성되는 SOP에 추가됩니다.

또는 SOP Architect는 추가 방법 개발이 필요하다고 권장할 수 있으며, 따라야 하는 다음 단계에 대한 권장 사항을 제시할 수 있습니다. 그림 5의 권장 사항을 예로 살펴보겠습니다. 

그림 5: 초음파 적정 후 SOP Architect가 제시한 권장 사항의 예

이 경우 SOP Architect는 설정된 초음파 강도에서 시료가 완전히 분산되지 않았거나 안정성에 도달하지 않았음을 확인했습니다. SOP Architec가 제공하는 두 가지 옵션은 다음과 같습니다.

• 초음파 강도 증대 
• 외부 초음파 처리를 사용하여 동일한 데이터 분산

 기본 옵션의 확인란을 선택한 다음 추가 지원을 받을 수 있습니다. 초음파 강도를 높이는 것을 선택하면 초음파 적정 시작 페이지로 돌아가고 초음파 강도가 자동으로 증가합니다.

사례 연구: 카올리나이트 

SOP Architect 내의 초음파 적정은 다양한 산업에서 많이 사용되는 물질인 카올리나이트 점토 시료를 사용하여 수행되었습니다. 예를 들어, 카올리나이트는 일반적으로 제지 산업에서 필러 재료로 사용됩니다. 사용된 카올리나이트의 입자 크기는 종이의 밝기, 인쇄 적성, 필러 재료로 사용할 때의 비용 효율성에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 응집체가 효과적으로 분산된 상태에서 입자 크기 분포에 대한 정확한 보고서를 갖추고 있는 것이 중요합니다. 

그림 6과 같이 카올리나이트 시료는 물에서 분산될 때 바이모달입니다. 초음파를 사용하지 않으면 더 큰 크기에서 뚜렷한 숄더 형태가 나타나지만 응집체가 분산되면서 100% 초음파(Hydro MV 내)를 적용하면 제거됩니다. 입자 크기와 초음파 총 지속 시간 비교 플롯을 분석해 보면 120초의 총 초음파 시간에 이르면 더 이상 입자 크기 감소가 관찰되지 않으며 이 단계에서의 완전한 분산이 이미징을 통해 확인되었습니다(그림 7).

그림 6: 카올리나이트 시료를 사용하여 수행한 SOP Architect의 초음파 적정 결과 - 왼쪽: PSD의 오버레이, 오른쪽: 입자 크기 추세 데이터와 총 초음파 지속 시간 비교

그림 7: Hydro Insight에서 기록한 입자 이미지. 초음파를 적용하기 전에 응집체가 관찰되지만(왼쪽) 초음파를 충분히 적용한 후에는 1차 입자만 남습니다(오른쪽).

이 경우 SOP Architect는 자동으로 데이터 평가 작업을 수행했으며 100%에서 120초가 이 카올리나이트 시료를 분산시키는 올바른 조합이라는 동일한 결론을 내렸습니다(그림 8).

그림 8: 카올리나이트 시료에 대한 SOP Architect의 초음파 적정 지침

요약

SOP Architect의 새로운 초음파 적정 단계는 방법 개발의 고급 단계 중 하나를 수행하는 데 중요한 지침을 제공합니다. 경험이 없는 레이저 회절 측정 사용자뿐만 아니라 누구나 이 방법을 포함한 종합 개발 패키지를 사용하여 혜택을 받을 수 있습니다. 전문 사용자는 초음파 적정을 단독 실험으로 수행하는 것이 유용합니다. 예를 들어 Hydro 분산 액세서리 내에서 외부 음파 처리에서 내부 음파 처리로 변경하는 경우가 있습니다. 

그러나 초음파 적정 이용 계획이 어떻든 Mastersizer 3000+를 사용하는 SOP Architect는 다음을 지원합니다.

• 방법 개발 표준화 또는 간소화
• 방법 개발에 모범 사례를 적용하여 일관되게 높은 기준 달성
• 개인 간 지식 전달에 대한 의존도 감소
• Malvern Panalytical의 경험을 워크플로에 통합
• 의사 결정으로 팀의 독립성 향상
• SOP Player를 통한 레이저 회절 측정 자동화

방법 개발을 강화하고 싶으십니까? 지금 Mastersizer 3000+에서 SOP Architect에 대해 자세히 알아보십시오.

참고 문헌

• [1] ISO13320:2020 - Particle size analysis - Laser diffraction methods