시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC) 원리

 

1. 열분석(Thermal Analysis) 이란?

 

DSC를 알아보기 앞서 열분석 정의에 대해 알아보자. 

 

먼저, 열분석이란 물질의 물리적 변수(physical parameter)를 온도의 함수로 나타내는 분석 방법이다.

 

온도를 일정하게 변화시킴에 따라 나타나는 열적 특성 변화를 관찰할 수 있으며,

이 때 어떠한 물리적 변수의 변화를 볼 것인가에 따라 아래와 같이 여러 분석방법이 존재한다.

 

 

2. 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC)의 원리

 

① DSC(시차주사열량계)는 시료(sample)와 불활성 기준물질(reference)을 동일한 온도 프로그램에 따라 가열/냉각한다.

 

② 이 때 온도와 시간의 함수로서 측정된 시료와 기준물질의 열유속 차이(difference in heat flow)를 측정한다.

 

③ 열유속(mW=mJ/sec)을 시간으로 미분하면 에너지량(mW․s 또는 mJ)으로 환산되며, 열에너지는 시료의 엔탈피(*Enthalpy) 변화에 상당한다.

 

④ 만약 시료가 에너지를 흡수하면 엔탈피 변화는 흡열(Endothermic), 에너지를 방출하면 발열(Exothermic) 이다.

 

 

* 엔탈피(Enthalpy) 란?

- 어떤 물질이 가지고 있는 에너지량 (열 함량)

- 엔탈피의 기호는 H로 나타내며 단위는 kJ(또는 J)을 사용

- 엔탈피의 차이는 ΔH로 나타내며, 공식은 다음과 같다

: △H = 생성물질의 총 엔탈피 - 반응물질의 총 엔탈피

- 발열 반응에서는 엔탈피가 감소하고 (⊿H < 0), 흡열 반응에서는 엔탈피가 증가한다 (⊿H > 0)

 

 

3. 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter, DSC) 결과해석

 

그래프 피크에서 흡열은 Endo(Endotherm), 발열은 Exo(exotherm)으로 표기된다.

(DSC기기마다 그래프가 표기되는 방향이 다르다) 

 

간단하게 DSC 그래프로 흡열/발열 거동을 살펴보자면 다음과 같다. (열역학적인 거동으로 설명가능)

 

- Tg (유리전이온도) : 흡열

- Tc (결정화 온도) : 발열

- Tm (녹는점) : 흡열

 

google image

열흐름 차이를 앞서 언급한 △H(엔탈피)로서 표현하며, 단위는 J/g 으로 표기된다.

 

즉, △H(엔탈피)를 통해 단위질량 당 에너지를 확인할 수 있다.

 

또한, 용융점에서 나타나는 △H(엔탈피)를 가지고 결정화도(Xc)를 구할 수 있다.

 

측정하고자하는 물질이 100% 결정성일 때 이론적으로 계산된 △H(엔탈피)를 분모로,

측정된 시료의 용융 △H(엔탈피)를 분자로하여 결정화도(Xc)를 백분율(%)로 나타낼 수 있다.

 

 △H(measured) : 측정 엔탈피, △H(100% crystaline) : 100% 결정성일 때의 엔탈피

 

* (참조)

- 1cal = 4.184 J

- 이론 △H(100% crystaline) 단위가 J인지 Cal인지 확인하여 변환할 것

 

100% 결정성일 때의 엔탈피를 분모로하는 이유는 결정화된 영역 자체에서만 Tm(용융점)의 발열 피크가 형성되기 때문이다.

 

google image

 

유리전이온도(Tg, glass temperature) 란?

 

고체상의 종류 (비결정, 결정, 반결정)

 

 

 

4. 시차주사열량계 (Differential Scanning Calorimeter, DSC)의 특성

 

즉, Peak의 면적은 △H(엔탈피)의 변화와 직접 비례하기 때문에 용융, 증발, 중합, 화학반응 등의 열량이 계산 가능하다.

 

따라서 DSC는 엔탈피 변화와 전이에 의해 발생되는 열적 거동에 대한 다양한 정보를 제공하며,

유리전이(Glass transition), 화학반응, 녹는점, 끓는점, 산화안정성 등과 같은 물리적 변화을 구할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

참조 출저 :

1. 한국산업안전보건공단 DSC TDS