유변학(Rheology)란 무엇인가

유변학은 물질의 유동과 변형에 대한 학문이다. 그렇다면 유변학을 왜 배우는가? 크게 2가지 측면으로 유변학이라는 학문을 바라볼 수 있는데, 첫번째는 현상론적 유변학이다. 이는 점탄성 물질의 유동과 변형을 정량화 하는데 초점을 둔다. 화장품과 같은 제품을 예로 들면, 고객이 사용할 때 '발림성이 좋다' 와 같은 평가를 얻기 위해 정량화하는 현상론적 유변학을 활용할 수 있다. 다른 하나는 분자나 구조의 열운동에 관한 연구를 진행하는 분자론적 유변학이다. 점탄성을 통해 이를 밝힐 수 있다. 점탄성은 완화현상이기 때문에 물질의 구조와 물성을 나타내는 계(System)를 알아볼 수 있다.

유변학에서는 물질의 변형/유동과 응력의 관계를 연구한다. 고체는 변형(strain, $\gamma$)과 응력(stress, $\sigma$)의 관계를 알아볼 수 있다. 탄성체의 경우 응력을 변형으로 나눈 탄성률(elastic modulus, $E$)로 나타낸다. 탄성률이 변형이나 시간에 따르지 않고 일정한 경우 후크의 법칙이 적용되는 후크 탄성(hookean elasticity)을 보인다. 액체는 흐름에 따라 나타나는 변형속도(shear rate, $\dot \gamma$)와 응력과의 관계를 확인할 수 있다. 응력을 변형속도로 나눈 것을 점도(viscosity, $\eta$)라고 하며, 점도가 변형속도나 시간에 따르지 않는, 즉 일정한 액체는 뉴턴점성(newtonian viscosity)를 나타낸다. 이러한 후크탄성과 뉴턴점성은 유변학에서의 이상적인 거동이다. 하지만 탄성률이 변형속도에 의존하는 비후크탄성(non-Hookean elasticity)와 점도가 변형속도에 의존하는 비뉴턴점성(non-Newtonian viscosity)를 나타내는 비이상적인 거동을 보이는 물질이 더 많다.

점탄성(viscoelasticity)는 무엇인가

점탄성은 점성과 탄성, 두 성질을 모두 가지는 성질이라고 간단히 정의하기에는 명확하지 않다. 점탄성은 분자의 열운동에 의해 완화가 응력완화로 관찰되는 현상을 말한다. 고분자 물질을 나타내는 계에 변형(strain)을 가하면 계는 평형상태로부터 벗어난 비평형상태가 되고, 분자의 열운동에 의해 시간이 흐르면서 평형상태로 되돌아온다. 이 때 응력을 시간에 따라 관찰해보면 감소한다. 또한 역으로 계에 응력을 가하고 이에 따른 변형을 측정하면 변형은 시간에 따라 점차 증가하다가 액체의 경우 일정하게 증가하고 고체의 경우에는 변형이 일정해진다. 이것이 점탄성이다. 변형을 가한 뒤의 직후는 탄성이지만 점차 시간이 흐르면서 점성을 나타내는 것처럼 보이기 때문에 점탄성이라 명명한다.