핵심 해설
이 문제는 제제학(Fundamentals of Pharmaceutics)의 핵심 개념인 유체의 유동 특성(Flow Property, Rheology)을 묻고 있습니다.
뉴턴 유체(Newtonian Fluid)는 전단 응력(Shear Stress)과 전단 속도(Shear Rate)가 정비례하여, 전단 속도가 변해도
점도(Viscosity)가 항상 일정하게 유지되는 가장 이상적인 유체입니다. 반대로 전단 속도에 따라 점도가 변하는 유체를
비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fluid)라고 하며, 이는 의사가소성(Pseudoplastic), 팽창성(Dilatant), 소성(Plastic, Bingham) 유동으로 다시 나뉩니다.
핵심 개념 분석 (Key Concept)
이 문제는 "어떤 물질이 뉴턴 유동(Newtonian Flow)을 보이는가?"를 정확히 구분할 수 있어야 합니다.
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뉴턴 유체 (Newtonian Fluid): 전단 응력 = 점도 × 전단 속도 (τ = η·γ). 점도(η)가 전단 속도와 무관하게 일정합니다. 대표적으로 물, 글리세린, 에탄올, 단순 액체 등이 해당합니다.
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비뉴턴 유체 (Non-Newtonian Fluid): 전단 속도에 따라 점도가 변합니다.
1.
의사가소성 유동 (Pseudoplastic Flow, 전단농화 Shear Thinning): 전단 속도가 증가할수록 점도가 감소합니다. 고분자 용액, 겔제, 카보머,
카르복시메틸셀룰로스(CMC) 용액 등이 대표적입니다.
2.
팽창성 유동 (Dilatant Flow, 전단농화 Shear Thickening): 전단 속도가 증가할수록 점도가 증가합니다. 농축 전분 현탁액, 모래, 시멘트 현탁액 등 고형분 함량이 높은 현탁액에서 주로 나타납니다.
3.
소성 유동 (Plastic Flow, Bingham 유동): 항복 응력(Yield Stress) 이상의 힘을 가해야 유동이 시작되는 특성입니다.
치약(Toothpaste), 케첩(Ketchup), 페인트 등이 대표적입니다.
정답 근거 (Answer Rationale)
①번
글리세린(Glycerin) 수용액은 저분자 액체로, 분자 간 상호작용이 일정하여 전단 속도에 관계없이 점도가 일정한
뉴턴 유체(Newtonian Fluid)의 전형적인 예입니다. 따라서 가장 적절합니다.
오답 분석 (Distractor Analysis)
②번 카보머(Carbomer) 겔 제제: 고분자 사슬이 얽혀 있다가 전단 속도가 증가함에 따라 사슬이 풀리며 점도가 감소하는
혼동 주의! 의사가소성(Pseudoplastic) 유동을 나타냅니다. 점도가 전단 속도에 따라 변하므로 비뉴턴 유체입니다.
③번 농축 전분 현탁액: 전단 속도가 빠를수록 입자 간 마찰이 증가하여 점도가 높아지는
혼동 주의! 팽창성(Dilatant) 유동을 나타냅니다. 전분 현탁액을 빠르게 저으면 딱딱해지는 현상이 대표적인 예입니다.
④번 카르복시메틸셀룰로스(CMC) 용액: 물에 용해되어 긴 고분자 사슬을 형성하는 대표적인 점증제(Thickener)로, 전단 속도가 증가할수록 점도가 낮아지는
의사가소성(Pseudoplastic) 유동을 나타냅니다.
⑤번 치약(Toothpaste): 관에서 짜낼 때 어느 정도 힘을 가해야 유동이 시작되는데, 이 시작점을 항복 응력(Yield Value)이라고 하며, 이러한 유동을
소성(Plastic) 또는 빙햄(Bingham) 유동이라고 합니다.
연관 개념 정리 (Related Concepts)
레올로지(Rheology)는 제제 설계와 품질 관리에서 매우 중요합니다.
- 점도계(Viscosimeter) 종류: 모세관 점도계(Ostwald, Ubbelohde)는 뉴턴 유체의 점도 측정에, 회전 점도계(Brookfield, Cone-and-Plate)는 비뉴턴 유체의 점도 및 유동 특성 분석에 사용됩니다.
- 제제별 활용: 현탁제는 침전을 막기 위해 항복 응력(Yield Value)을 가지는 소성 유동(Pseudoplastic with yield) 특성을 활용합니다. 연고/크림 제제는 바를 때는 점도가 낮아지고(의사가소성), 바른 후에는 점도가 회복되어 피부에 잘 부착되어야 합니다.
개념 정리
| 유동 유형 | 특징 | 전단속도 증가 시 점도 | 대표 물질 |
|---|
| 뉴턴 유동 (Newtonian) | τ = ηγ, 점도 일정 | 일정 | 물, 글리세린, 에탄올, 단순 액체 |
| 의사가소성 (Pseudoplastic) | 전단농화 (Shear Thinning) | 감소 | 고분자 용액 (CMC, 카보머, HPMC), 겔 |
| 팽창성 (Dilatant) | 전단농화 (Shear Thickening) | 증가 | 농축 전분 현탁액, 모래 현탁액 |
| 소성 (Plastic, Bingham) | 항복응력 (Yield Value) 필요 | 항복 후 유동 | 치약, 케첩, 페인트, 마요네즈 |
암기 팁
"뉴턴은 물처럼 단순하고(일정), 비뉴턴은 복잡하다!"
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의사(疑似)가소성 = 가짜(Pseudo)로 단단한(Plastic) 성질. 전단을 가하면 점도가 낮아져서 '가짜로 딱딱한 것처럼 보이다가 풀린다'고 연상하세요.
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팽창성(Dilatant) = Dilate(확장하다). 빨리 저으면 덩어리가 '팽창'해서 점도가 올라간다고 외우세요.
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소성(Plastic) = Plastic(플라스틱)은 모양을 바꾸려면 일정 힘(항복응력)이 필요하다고 연상하세요.
국시 빈출 포인트
제제학의 레올로지 단원에서 각 유동의 정의와 대표 물질을 연결하는 문제가 자주 출제됩니다. 특히
카보머 겔(의사가소성) vs 치약(소성) vs 전분 현탁액(팽창성) vs 글리세린(뉴턴)의 구분은 거의 매년 빠지지 않고 나오는 필수 빈출 개념입니다.
기출 변형 주의!
"다음 중
의사가소성(Pseudoplastic) 유동을 나타내는 물질은?" 또는 "
항복 응력(Yield Stress)이 존재하는 유동은?" 등으로 변형되어 출제될 수 있습니다. 각 유동의 핵심 특성(점도 변화 방향, 항복 응력 유무)을 반드시 암기하세요.