을 오염시킬 수 있다.
그림 5-14. 점탄성에 의한 물리적 현상
점탄성을 표현하는 이론적인 기본 model로는 Maxwell, Voigt-Kelvin, Burgers model들을 들 수가 있다. 그림 5-15에서와 같이 Maxwell 모델은 탄성의 model인 스프링(spring)과 점성의 model인 dashpot가 직렬로 배열되어 조합된 것이다. Voigt-Kelvin model은 스프링과 dashpot가 병렬로 조합되며, Burgers model은 Maxwell과 Voigt-Kelvin이 직렬 조합된 형태이다.
그림 5-15. 점탄성 model의 예
한편 점탄성 물성의 기본적인 측정방법으로는 응력완화(stress relaxation) 실험과 creep 실험이 있는데, 응력완화 실험에서는 시료를 특정한 크기로 변형시킨 후 그 변형을 그대로 유지하면서 물체가 나타내는 시간별 응력의 변화를 측정한다. Creep 실험은 시료에 특정한 힘을 가한 후 그 힘을 그대로 유지하면서 물체가 보이는 시간별 변형의 변화를 측정한다. 실험 결과의 기본적인 방법으로 응력완화에 대한 Peleg model이 있다.
여기서 는 응력완화를 시작할 때 초기응력, τ는 응력완화 중 변화하는 응력, 는 응력완화 경과시간이다. K₁의 역수의 크기는 초기의 완화속도(initial decay rate)를 반영하며, K₂는 완화의 점근 수준(asymptotic level)을 나타낸다. 응력완화의 실험 결과는 응력 대신에 완화 modulus (stress/strain)로 표현하기도 한다.
Creep 실험의 경우에는 Burgers 모델의 해석법이 사용되고 있다. 그 해당 모델식은 다음 식과 같으며 변형 대신에 creep compliance(J, strain/stress)를 사용한다.
여기서 Maxwell 부분의 초기 변형, 은 Voigt-Kelvin 부분의 최대 가능한 변형, 는 Maxwell 부분의 점성, 은 Voigt-Kelvin 부분의 지연시간(retradation time), 는 creep 경과 시간을 나타낸다.
그림 5-16. 응력완화
실험 결과의 그림 5-17에서 는 직접적으로 구해지지 않지만 J가 에 도달하는 시간으로 간주해도 무방하다. 와 값은 탄성을 반영하며 와 는 점성을 반영한다.
그 밖에 점탄성을 측정하는 방법으로 dynamic oscillating strain(또는 stress)을 가할 때 측정되는 stress(또는 strain)을 분석하여 점탄성을 구하기도 한다. 실험 결과로 (complex modulus), (storage modulus, 탄성의 세기), (loss modulus, 점성의 세기), δ(pgase lag angle, 탄성과 점성의 지배 정도) 등이 산출된다.
그림 5-17. Creep 곡선
여기서 는 dynamic한 조건에서 파생하는 허수를 나타내는데, 점탄성은 단순히 과 의 크기로 탄성과 점성의 세기를 판단하고 δ의 0도(순수 탄성체) 또는 90도(순수 점성체)의 근접 정도에 따라 역시 점성과 탄성의 지배정도를 판단한다. 이 방법은 결과해석이 이와 같이 단순하고 분명한 반면 고가의 rheometer나 DMTA(dynamic mechanical thermal analyzer)를 사용해야 하기 때문에 그 적용에 제약이 따른다.
<결론 및 고찰>
우리가 살아가는 동안 마주치는 대부분의 현상에 유변학적 현상의 적용이 가능하다. 이는 곧 그 적용분야가 매우 다양하다는 것을 동시에 말해주는 것이다. 현대 과학은 어느 한 영역에 특정한 선을 긋고 있지 않는다. 다양한 분야의 전문가들이 모여 공통된 주제를 가지고 서로의 지식을 공유하면서 연구개발에 힘쓰고 있는 것이 현대 과학의 모습이다. rheology는 이러한 현대과학에서 중요한 중재자 역할을 수행한다. 하지만 현재 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 이 분야에 대한 전문 지식을 가진 사람이 드물다. 특히 공정과정에서 rheology에 관한 지식의 중요성이 시간이 지나면 지날수록 대두되고 있는 추세이다. 현재까지 여러 산업에서 rheology에 관한 전문 지식을 가진 사람이 드물며 rheology적 데이터에 대한 체계들이 확실하게 잡혀있지 않은 곳이 대부분이다. 이는 곧 우리에게 큰 기회로 다가올 것이다. 현재 우리는 이 강의를 들으면서 rheology에 관한 지식을 가지게 될 것이고 이것을 토대로 하여 더 공부하고 연구한다면 이는 곧 나중에 있을 경쟁에서 우리가 남들보다 한 걸음 앞서 나갈 수 있는 좋은 발판이 될 것이다.
rheology는 주변의 모든 현상에 대부분 적용이 가능하다. 난 그 중에서 인간의 삶과 가장 밀접하다고 할 수 있는 식품에 도입된 유변학의 특성에 대해 알아보았다.
Rheology(유변학)란 상당히 흥미롭고, 개발 가능성이 무궁무진한 분야인 것 같다. 불과 1년전 만 하더라도 rheology에 대한 지식이 전혀 전무했었다. 하지만 지금 듣고 있는 식품 물성학 수업과 함께 rheology report는 식품의 물성을 이해하고 rheology에 대해 좀 더 자세하게 알게 된 중요한 계기가 되었다.
처음에는 식품 물성학이라는 과목이 그저 어렵게만 생각되어 멀게 느껴졌는데, 이런 생각을 버리고 report를 하나하나 typing하고 그림도 직접 그려보면서 해보니 마냥 어려운 과목은 아니라는 생각이 들었다. 어려운 부분이 있더라도 하나하나 천천히 이해해가며 report를 해보니 식품 물성학이란 과목에 가까워진 느낌도 들어 좋았다.
여기서 배운 내용을 지식을 실생활에 유용하게 접목해보고, 더 나아가 지금 배운 것보다 한층 더 심도 있는 식품의 물성과 rheology에 대해 알아보고 싶다고 생각했다.
<참고문헌>
식품공학 - 정석진강성태박장우정재현 / 지구문화사
p.35 ～ p.40, p.71
식품공학 - 한국식품과학회 편 / 형설출판사
p.37 ～ p.51
식품공학 - 전재근김공환목철균이승주권영안 공저 / McGraw-Hill Korea
p.21 ～ p.37
식품 물성학 print
인터넷 자료조사
- 네이버 자료전문정보 검색
- 유변학회 홈페이지, http://www.rheology.or.kr