프로그램 진행과정

1. 오리엔테이션

: 사업 소개 및 프로그램 안내, 안전교육
: 참여 과학 커뮤니케이터소개

2. 아크릴 염색에 관련한 과학 이론 강의

: 아크릴염색에 관한 이론 설명

3. 아크릴 모빌, 키링 구상하기

: 각 조각별로 염색할 색상 및 위치 정하기

4. 아크릴 염색하기

: 중탕으로 데워진 물과 비커에 아크릴염료와 침투제를 넣는다.

: 각 색의 비커에 아크릴을 담가 염색한다.

(원하는 색의 농도에 맞춰 염료물에 담가놓는 시간을 조절한다.)

5. 물로 닦기

: 염색된 아크릴 조각을 물로 닦는다.

6. 낚싯줄, 군번줄로 모빌, 키링 연결하기

: 모빌_낚싯줄을 활용해 모빌을 조각조각 연결하여 마무리한다.

: 키링_오링과 군번줄을 활용해 연결하여 마무리한다.

7. 작품 공유 및 마무리

: 자신의 디자인을 공유하고 진행 과정에서 알게 된 과학을 나누며 마무리

아크릴 염색에 관련한 과학 이론

● 아크릴(Acrylic)의 물질 구조와 특성

-아크릴의 정체: PMMA(Polymethyl Methacrylate)

아크릴은 **PMMA라는 고분자(polymer)**로 이루어짐

투명도: 유리보다 높을 수 있음(약 92% 투과율)

강도: 유리보다 2~3배 강하지만, 충격에는 상대적으로 약함

가공성: 열가소성 플라스틱 → 열을 받으면 변형 가능

- 분자 구조적 특징

긴 사슬형 폴리머 → 빛의 굴절과 흡수를 최소화

내부 결정구조가 거의 없는 비정질(amorphous) 물질 → 투명

- 왜 염색이 가능한가?

분자 체계에 **미세한 빈 공간(Free Volume)**이 있어

염료 분자가 일정 조건에서 침투하거나, 표면에 흡착 가능

●아크릴 염색(Dyeing)의 화학 원리

- 아크릴은 왜 물로 잘 염색되지 않을까?

PMMA는 소수성(hydrophobic) → 물 기반 염료가 침투하기 어려움

따라서 용제형(solvent-based) 염료나 열 염색 방식이 효과적

- 용제형 염색의 원리

염료가 포함된 유기용제가 아크릴 표면을 약간 부풀림 (Swelling)

그 틈으로 염료 분자가 침투해 반투명한 색을 형성

건조하면 안정화

- 열 염색(Thermal Dyeing)의 과학

따뜻한 온도에서는 폴리머 사슬이 유연해짐

염료가 더 깊이 침투하여 선명도 향상

- 색의 발현 방식

PMMA는 투명 → 빛이 내부 염료에 의해 흡수 + 산란

→ 조각이 빛을 받을 때 컬러가 더 선명하게 보임

폴리머 사슬 간격이 온도 또는 용제로 인해 넓어짐

용제의 확산력 + 농도 차(chemical potential difference) 때문에 염료 분자가 아크릴 내부로 이동

즉, 염색은 단순 표면 코팅이 아니라

**“고분자 사슬 사이 공간을 통한 분자의 확산(diffusion)”**입니다.

>>아크릴 염색은 “표면 코팅”이 아니라 분자 수준의 침투

●아크릴 침투제(Acrylic Penetrant)의 원리

1) 폴리머 사슬 간격을 넓혀 침투 가능성 증가

침투제에는 아크릴과 잘 섞이는 **유기용제(예: IPA, 아세톤 계열)**가 소량 포함

이 용제가 아크릴 표면을 부풀려(swell)

염료 분자가 들어갈 수 있는 통로를 형성

2) 염료의 용해도 증가

염료 분자가 용제 안에서 더 잘 섞이도록 도와

확산 속도를 증가

3) 염색 균일성 향상

염료/용제가 균일한 농도와 속도로 이동하게 만들어

얼룩(blotching) 현상을 방지

4) 표면 장력 감소 → 침투 촉진

표면 장력이 낮아지면 액체가 더 넓게 퍼져 아크릴 표면에 밀착

결과적으로 침투 효율이 향상

>> 침투제는 “염료가 아크릴 고분자 사이에 들어가는 속도를 높여주는 윤활제”

●삼투압(osmotic pressure)과 아크릴 염색의 관계

아크릴 염색 = 삼투압 작용”으로 오해하지만, 정확히 말하면 삼투압 자체가 작용하는 것은 아님

-아크릴 염색에서 실제로 일어나는 것은?

✔ 용제 확산 + 농도 기울기(chemical potential gradient)

염료 용액의 농도가 높고

아크릴 내부에는 염료가 거의 없으므로

농도 차에 의해 분자가 이동(diffusion)

*아크릴 염색의 분자 이동은 피크(Fick) 확산 법칙

-Fick의 제1확산 법칙 (직관적 표현)

분자는 농도가 높은 곳 → 낮은 곳으로 이동

이동 속도는 농도 차이가 클수록 더 빨라짐

-아크릴에 적용하면?

염색액(염료 농도 높음)

→ 아크릴 내부(염료 농도 낮음)

따라서 염색이 진행될수록

염료 분자가 표면에서 내부 방향으로 점차 확산됨

-확산 속도를 높이는 요인

온도 상승 → 폴리머 운동성 증가

적절한 용제 사용 → 사슬 간격 증가

침투제 첨가 → 표면 장력 감소 + swelling 증가

염색 시간 증가 → 침투 깊이 증가

>> 물감이 종이에 스미는 것과는 달리, 아크릴은 ‘고분자 확산’이 일어나야 하므로 과학적으로 더 느리고 복잡한 과정

- 왜 “삼투압과 비슷하다”는 표현을 쓰는가?

삼투압도 “농도 차에 의한 분자의 이동”이 핵심

아크릴은 반투과막이 아니지만, 고분자 사슬 사이의 free volume이

일시적인 통로 역할을 하기 때문에 비슷하게 느껴짐

>>결론

엄밀히: 삼투압(Osmosis) ≠ 아크릴 염색

정확히: 폴리머 확산(Polymer Diffusion) + 용제 팽윤(Swelling) 현상