부력과 대류현상이 TGA 분석 결과에 미치는 영향
TGA 기기 특성상 고질적으로 발생하는 온도 상승 시 질량이 같이 증가하는 현상에 대한 이해
TGA 분석 시 고온에서 질량이 증가하는 이유
TGA 분석을 진행하다 보면, 고온 영역에서 질량이 증가하지 않을 것으로 예상되는 상황에서 오히려 질량이 증가하는 현상을 경험하며 당황한 적이 있으실 겁니다. 이번 포스팅에서는 이러한 현상이 발생하는 이유와 이를 최소화할 수 있는 방법에 대해 알아보겠습니다.
온도에 따른 기체의 밀도 변화
온도에 따른 공기밀도 변화
이 현상에 대해 이해하기 위해서는 먼저 온도에 따라 공기 밀도가 변한다는 것을 먼저 이해해야 하는데요. 온도와 공기의 밀도는 반비례 관계로 온도가 상승하면 밀도는 감소하고, 온도가 낮아지면 밀도는 증가합니다.
온도가 상승할 때는 공기 분자들이 더 빠르게 움직이면서 서로 멀어지게 되고, 온도가 낮아지면 분자들의 운동이 느려지면서 분자 간 거리가 가까워지기 때문입니다. 그럼 이제 왜 TGA에서 질량이 변화하는지 본격적으로 알아보겠습니다.
기기 특성으로 인한 대류와 부력의 발생
TGA 분석 기기는 샘플팬이 있는 가열로(Furnace)를 가열하며 변화하는 시료의 질량을 확인하는 분석 장비입니다. 일반적으로 가열로의 벽면에 히팅플레이트가 내장되어 있고, 그 히팅플레이트를 가열하며 온도를 상승시키는 원리인데요.
바로 이때 히팅플레이트의 위치와 가열로의 형태로 인해서 대류와 부력현상이 발생하게 되는 것입니다. 아래의 그림을 먼저 본 이후에 다시 설명을 진행하겠습니다.
TGA furnace 내부의 대류 효과
대류 현상(Convection)
먼저 가열로의 벽면에 있는 핫플레이트가 달궈지기 시작하면, 즉 분석이 막 시작했을 때 종종 질량이 상승하는 것처럼 보이는 경우가 있는데요. 이것은 분석을 막 시작할 때 가열로 중심부와 핫플레이트 사이의 온도 차로 인해 발생하는 대류로 인한 현상입니다.
조금 더 상세히 설명드려 볼까요?
가열을 시작하면 가열로의 벽면은 상대적으로 고온이고, 중심부는 상대적으로 저온인 상태가 됩니다. 따라서 벽면의 뜨거운 기체는 위로 가려 하고, 중심부의 차가운 기체는 아래로 내려가고자 하는 유인이 생기는 것이죠. 그리고 이런 원리로 인해서 sample pan을 아래로 내리는 방향으로 힘이 작용을 하고 질량이 상승하는 것처럼 보이는 것입니다.
부력 효과(Buoyancy)
위에서 말씀드린 것처럼 기체의 밀도는 온도에 따라서 변화합니다. 온도가 높아질수록 밀도는 큰 폭으로 감소되고, 밀도에 비례하는 부력 또한 함께 감소합니다. 그렇기 때문에 온도가 증가하여 밀도가 감소함과 동시에 샘플팬을 받쳐 올리는 부력을 저하시키게 되면서 시료의 질량이 높게 측정되는 것입니다.
질량의 증가를 유발하는 대류와 부력
대류와 부력은 TGA 결과에서 아래 그림과 같은 영향을 미치게 되는데요. 분석을 시작한 초반부에는 강한 대류효과가 작용을 하고, 전반적으로 부력효과로 인한 질량 상승이 발생할 수 있습니다.
아래에서 이 현상을 완화할 수 있는 몇 가지 방법을 소개해드리고 오늘 포스팅은 마무리하도록 하겠습니다.
Empty pan 측정 결과
질량 증가 현상을 완화하는 방법
- 낮은 승온속도(가열속도)를 사용합니다.
– 너무 높은 승온속도는 초반 가열로 벽면과 중심부의 강한 온도 구배를 만들어 대류효과를 강하게 할 수 있습니다. - 시료 질량을 적절히 많이 사용합니다.
– 너무 많은 시료도 문제가 될 수 있지만, 너무 작은 양의 시료도 대류와 부력으로 인해 오차가 많이 발생할 수 있습니다. 장비별로 적절한 용량의 시료를 사용합니다. - 시료를 분석하는 동일한 Method로 빈 샘플팬의 분석을 합니다. 이후 빈 샘플팬의 결과를 분석 결과에서 빼 측정 값을 보정합니다.
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