생활 속의 분체, 가루 이야기 (4) - 가루의 크기는 어떻게 잴까?

가루를 다루면서 가장 처음 부딪히는 일이 가루의 크기를 아는 일이다. 가루입자가 구형이라면 그 크기를 직경으로 표시하면 문제가 없을 것이지만, 우리가 알고있는 보통의 가루들은 대부분이 복잡한 형태를 가지고, 불규칙하다. 또한, 일반적인 분체라는 것이 다수의 입자의 집합체이므로, 그 구성입자 하나 하나가 서로 다른 형상을 지니고 있으며, 동시에 크기에 따른 분포를 가지고 있다. 더욱이, 입자의 크기를 측정하는 장치는 무수히 많이 나와 있으며 그 원리 또한 여러 가지가 있다. 그런데, 그 측정방법이나 원리 또는 측정 원리가 같다고 하더라도 각각의 장치에 따라서 입자의 크기가 다르게 측정이 되는 것이 현실이다. 따라서, 입자의 크기를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있고, 특히 원과 구에 대응시키면 직감적으로 알기 쉽고, 각자 다른 측정원리를 사용해도 그 결과를 비교하는데 있어서 편리하다. 필자는 여기서 가루입자의 크기를 결정하는 여러 가지 방법에 대해서 이야기 하고자한다.

우선, 입자크기를 평면 또는 입체로 나타내어 설명하면 그림 1 (a)에서 보듯이 이차원 형태로 입자를 볼 때(현미경 사진 등)는 입자에 평행한 두 선을 그어 장축을 l 단축을 b라고 표시 할 수 있다. 또한, 삼차원으로 나타내서 설명하면 그림 1의 (b)와 같이 장축(l), 단축(b) 그리고 두께(t)로 나타낼 수 있다. 이렇게 입자의 크기를 결정한 단축, 장축 또는 장축, 단축, 두께를 하나의 숫자크기로 나타내기 위해 각각을 산술평균, 기하평균 또는 조화평균으로 나타내는 평균경이 있다. 그리고, 입자에 두 개의 평행한 선을 그어 그 간의 최단거리를 나타내는 방법(Feret 경), 입자의 그림자를 같은 면적으로 둘로 나눈 선분의 길이로 나타내는 방법(Martin 경), 한 방향을 정해 그 방향에서 최대의 길이로 나타내는 방법(Krummbein 경) 등의 통계적경이 있다.

또한, 입자의 안 또는 밖에 원을 그려 그 원의 지름을 채택하거나, 입자의 면적을 측정하여 그 면적과 동일한 크기의 원 또는 정사각형의 지름 또는 한 선분의 길이 결정하는 방법, 역시 같은 방법으로 입자의 체적을 측정하여 그 체적과 동일한 원 또는 육면체의 지름 또는 선분으로 결정하는 상당경(相當徑)도 있다. 마지막으로 이론적으로 상당히 어렵게 취급되지만, 가장 널리 사용되고있는 것이 입자가 물 속 또는 공기 중에 떨어질 때의 속도를 측정하여 그 속도와 같은 속도로 떨어지는 구의 지름으로 결정하는 유효경이 있다. 이 유효적경은 그 측정이론에 따라 Stokes, Allen, Newton경 등 몇 가지가 있다.

이상 위에서 설명한 바와 같이 입자의 불규칙한 형상의 입자크기를 측정하는 것에는 매우 다양한 측정 방법이 존재하고, 더불어 입자들의 분포까지도 생각해야 하므로 어떤 분체입자들의 크기가 몇몇 mm 또는 ㎛라고 이야기하는 것은 매우 곤란하고, 그렇기 때문에 분체입자를 측정하여 그 크기를 이야기 할 때는 “어떤 기준으로 어떻게 측정하였는가?”를 알리는 의미에서 ‘입도(粒度, 입자크기의 정도)’라는 말을 사용하며, 실제로 분체입자의 크기라고 이야기하는 것이 단순히 길이의 차원만은 아니라는 것을 유의해 주었으면 한다.

한국과학기술인연합 운영위원
최희규