정확한 비열(Cp) 측정 방법 DSC 분석

DSC(Differential Scanning Calorimetry, 시차주사열량계)는 정확하고 시료를 빠르게 측정할 수 있어 비열 측정에 많이 활용되는 분석 장비인데요. 시료만 균일하게 준비할 수 있다면 짧은 시간 안에 정확하게 비열을 측정할 수 있기 때문에 비열 측정에 아주 적합합니다.

비열 측정은 크게 다음과 같은 단계로 이뤄집니다.

① 시료와 레퍼런스 물질 준비

시료는 균일하게, 기준 물질은 비열이 잘 알려진 사파이어, 인듐과 같은 물질로 준비합니다.
※ 주의 사항 : Sample pan의 무게를 거의 유사하게 준비한다.

② 온도 프로그램 설정

비열이 필요한 온도 범위와 적절한 가열/냉각 속도를 설정합니다. 일반적으로 10℃/min 정도로 설정하고, 속도는 기기와 분석 시료 등에 따라 적절히 조정할 수 있습니다. 시료가 균일하게 가열되는 것이 중요하며 너무 빠르게 온도를 변화시키면 열전달이 불균일해질 수 있고 너무 느리면 외부 영향을 받기 쉬워지므로 주의해야 합니다.

③ 시료와 레퍼런스 분석

동일 한 조건으로 시료와 레퍼런스 물질을 분석합니다. 레퍼런스는 빈팬과 비열이 알려진 기준 물질 2가지를 측정합니다.

3가지 과정을 거친 후에 측정 결과를 종합해 각 온도에 따른 비열을 계산합니다.

빈 팬을 측정하는 이유

• 기기의 배경 신호(노이즈) 제거
  빈 팬을 측정하면, 실험 중 기기 자체에서 발생하는 미세한 열 흐름이나 노이즈를 확인할 수 있습니다. 이 데이터는 기준선 (Baseline)으로 활용되며, 이후 시료나 기준 물질의 측정에서 빈 팬 데이터를 빼줌으로써 순수한 시료의 열 흐름만 반영할 수 있게 됩니다.

기준 물질을 측정하는 이유

• 정확한 비열 계산을 위한 보정
  시료의 비열을 측정할 때 기준물질의 열적 반응을 비교 기준으로 사용합니다. 기준 물질의 비열이 이미 알려져 있으므로, 기준 물질의 열 흐름을 통해 시료의 열용량을 상대적으로 계산할 수 있습니다.
• DSC 기기의 교정(Calibarition) 확인
  기준물질의 특성은 기기와 실험 조건이 잘 맞춰져 있는지 확인하는 데 사용됩니다. 기준물질 측정을 통해 DSC 기기가 올바르게 작동하고 있는지 확인하고, 필요한 경우 보정할 수 있습니다.

거의 모든 기기에서 3가지 (시료, 레퍼런스 2가지) 측정 결과를 넣으면 비열을 자동으로 계산해주는 툴을 제공 합니다. 계산은 각 측정 값들을 통해 시료의 비열을 보정하고 산출하는 식을 통해 이루어지는데요.

빈 팬과 기준물질을 이용한 보정 방정식은 아래와 같이 나타낼 수 있습니다. 이 방정식은 실험 중 측정된 열 흐름에서 기기 자체의 노이즈, 베이스라인과 기준 물질의 열 용량을 보정하여, 시료의 정확한 비열을 산출합니다.

이로써 DSC는 비열을 계산할 때 시료와 기준 물질의 열흐름에서 빈 팬의 열흐름을 빼주어 노이즈를 제거하고, 시료와 기준 물질에서만 측정된 값을 사용하여 더 정확한 비열 측정이 가능한 것입니다.