고온 DSC (고온 시차주사열량계)

고온 DSC 란 ?

고온 DSC는 일반 DSC와 측정 원리는 같지만, 훨씬 높은 온도 1,100~2,400℃ 까지 열적 특성을 측정할 수 있는 시차주사 열량계 입니다.


고온 DSC로 측정 가능한 주요 항목 :

  1. 금속 및 세라믹의 융점·고상전이(Solid–Solid Transition)
  2. 합금의 상변화 및 용융거동
  3. 고온이 필요한 특수 플라스틱의 상변화 및 용융 거동
  4. 산화·환원 반응의 발열·흡열 거동
  5. 고온에서의 비열(Cp) 측정
  6. 유리 전이 온도(Tg), 결정화 온도(Tc) 등


고온 DSC (High Temperature DSC)는 두가지 타입이 있습니다.

  1. TGA에서 사용 가능한 DSC
  2. 절대 엔탈피 측정용 낙하 열량계 (Drop Calorimeter)


TGA 열중량 분석기에 사용되는 – 고온 DSC

고온 DSC (고온 시차주사열량계), 모델 템이스 원/템이즈 원+ (= THEMYS ONE/THEMYS ONE+) ; Auto Sampler 장착 가능, 최대 1,600℃

세타람사 모델 템이즈원, 모듈교체형 TGA DSC DTA STA 복합열분석기로, 습도조절기, FTIR MS 등 다양한 가스분석기를 결합하여 사용 가능

위는, 모델 템이스원의 동영상 소개 입니다. KEP Technologies 그룹 SETARAM사의 TGA, TGA+DSC, TGA+DTA, 3D DSC 열분석기 입니다. SETARAM의 한국대리점은 한미산업 입니다.


  • 연구설계 세타람 사 스위스 제네바 근교 소재–>웹사이트
  • 제조 세타람 사 프랑스 리옹 (제네바 남서쪽 1.5시간 거리)
  • 모델명 템이스 (=THEMYS ONE)
  • 한국대리점 한미산업


세타람사 모델 템이즈원, 모듈교체형 TGA DSC DTA STA 복합열분석기의 내부 구조도와 핵심 시스템 설명
세타람사 모델 템이즈원, 모듈교체형 TGA DSC DTA STA 복합열분석기의 내부 구조도와 핵심시스템 설명
스위스 세타람사 모델 템이즈원, 모듈형 열분석기, TGA DSC STA DTA TMA 복합열분석기 입니다. AUTO SAMPLERN32 POSITIONS 선택 가능

모델 템이즈 원(=Themys One) 개념 및 특장점 소개 ;

1. 고온 시험환경 제어 –> 상온 ~ +1,150℃ 혹은 상온 ~ +1,600 ℃ 선택 사양

2. 템이즈 원 + (플러스) 버전의 경우, 32개 자동 샘플러 장착 가능 합니다.

3. Vertical Top Loading Balance-Symmetrical Beam Balance (수직형 탑로딩 방식 전자저울-대칭형 빔 전자저울) 타입으로, Thermal Buoyancy Effect Drift (=열 부력 효과에 의한 측정 오차)를 최소화 하도록 설계 되어 있습니다.

4. 편리한 플러그 앤 플레이(PLUG & PLAY) Rod 교체방식으로, 다음과 같은 측정기능을 쉽게 추가 교체 사용 가능 합니다. –> TGA, STA, DTA/DSC, 3D high sensitivity DSC 센서

5. 3D 고해상도 고정밀 DSC 센서 추가 가능 ; 2D DSC센서 뿐 아니라, 옵션으로 3D DSC를 추가하여 고해상도 고정밀 DSC 전용기기와 같은 0.4µW의 고감도 측정 가능. 일반 DSC 측정 정밀도가 대략 2.5µW 정도로, 모델 템이즈원이 약 6배 우수 합니다.

6. THEMYS ONE은 고정밀(isothermal) 열량계 측정이 가능한 장비입니다. Calvet‑type 3D Cp 센서와 뛰어난 온도 안정성, 세밀한 소프트웨어 제어 덕분에 정확하고 반복 가능한 등온 열량 측정을 수행할 수 있습니다.


*등온 열량 측정 => Calvet‑type 3D 센서 사용으로 고감도 및 고정밀 등온 측정 가능

*온도 정밀도 => ±0.08 ℃ 수준 유지 가능

*CALISTO 소프트웨어 => 등온 유지와 동시에 열량/열용량 데이터를 실시간 기록 및 처리

7. 가스 주입 장치 선택 (Gas Flow) :

  • 기본 장치 ; 2개의 가스 주입구 (불황성가스, 반응성 가스)
  • 추가 옵션 ; 3개의 Carrier Gas 주입구 중 1개 선택 주입 MFC Controller (200ml/min) + 보조 가스 주입 장치 MFC Controller (16ml/min) =>가스 혼합 주입


8. 진공은 Purge 용

9. 소프웨어 ; Calisto(칼리스토)라는 유명 열분석기 전문 소프트웨어 공급. 직관적이고 강력한 소프트웨어와 데이터 처리 분석 시스템.

10. 외부에 아래와 같은 가스 분석기들을 연결하여 측정 샘플의 가스를 이송시켜 정량 정성 분석을 가능하게 합니다. ;

  • Mass Spectrometers (MS) with TGA 혹은 STA
  • FT-IR with TGA 혹은 STA
  • GC_MS with TGA 혹은 STA



고온 DSC (고온 시차주사열량계), 만능 TGA, 모델 템이즈 (=Themys) ; 최대 2,400℃

만능 TGA | 열중량분석기


모델 템이스 (THEMYS) 특장점 소개 ;

  1. 상온 ~ 최대 1,600°C or 최대 1,750°C or 최대 2,400℃의 고온까지 제어 측정이 가능, 선택 사양.
  2. 한개의 퍼니스로 교체 변경 필요 없이 최대 2,400℃ 까지 사용 가능한 쉽고 편리한 고온 시스템 ; 타사의 TGA는 1,600도씨 퍼니스와 2,400도씨 퍼니스를 교체변경하는 불편함이 있습니다. 모델 THEMYS 플랫폼은 하나의 고온 흑연 퍼니스(graphite furnace)를 기본으로 하고, 퍼니스를 갈아 끼우지 않고도 다양한 실험 조건을 커버하는 컨셉입니다. 내부 보호 튜브(알루미나/실리카 등)는 *분위기(부식성/습식 등)*에 따라 교체합니다. 예를 들어 부식성 가스(100%) 조건에서는 표준 퍼니스 튜브를 실리카 튜브로 교체 (습식 조건은 최대 약 1750 °C까지), 고산화/습식 분위기에서는 적합한 보호 튜브 확인 필요. 모델 THEMYS는 2400 °C( TGA/DTA/TMA ) / 1600 °C( DSC/TG-DSC ) 모듈 운용 지원. “같은 퍼니스”를 쓰되 내부 보호 튜브(및 센서/로드)를 상황에 맞게 쉽고 편리하게 교체하는 방식. 2400 °C급은 통상 불활성/진공 조건에서 운용.(습식·부식성 운용은 1750 °C급 한계).
  3. 플라스틱, 고분자, 금속, 세라믹, 수소 등 다양한 소재 측정 가능.
  4. 열분해,조성 성분분석, 산화 환원 촉매 흡착 탈착 시험.
  5. Vertical Hang-Down – Symmetrical Beam Balance (수직형 행다운 타입 – 대칭빔 전자저울) 타입의 중량분석기로, 장시간의 고온에서 시험을 하여도 최고 수준의 열 안정성과 검출 한계를 제공하고, TGA Drift 부력 효과를 최소화 할 수 있습니다. Buoyancy Effect Drift(=열 대류에 의한 부력 효과 발생으로 측정신호의 오차가 발생)
  6. 모듈의 교체만으로 쉽고 다양하게 TGA, STA(DTA, TG-DTA, DSC, TG-DSC), TMA 를 한대의 플랫폼에서 교체하여 사용 가능
  7. Water Cooling System 냉각 시스템 선택시, 측정시간 단축
  8. 진공 시스템 ; primary level vacuum => max 1mbar, forced primary vacuum => max 5 x 10-2 mbar, Secondary vacuum => max 10-4 mbar
  9. 수분조절기(WETSYS System)를 장착하여 상대습도에 대한 샘플분석이 가능
  10. Tri-Coupled DTA : 최대 1,700℃, 최대 2,400℃ 측정용 센서. 일반적인 DSC 측정 기능과 유사한 열량 측정 기능으로 고온 측정이 가능 합니다.
  11. 3D DSC 고해상도 고정밀 센서 추가 가능 ; 고정밀 DSC 전용기기와 같은 0.4µW의 고감도를 가지고 있어, 정확한 DSC 측정이 가능 합니다. 일반 DSC 측정정밀도가 대략 2.5µW 정도로, 모델 템이즈 3D DSC센서는 약 6배 우수 합니다.
  12. 등온 온도 제어 가능 ; 장시간의 열적 안정성 제어 시스템인 ISOTHERMAL Temperature Control 가능.
  13. DSC의 경우, 표준 도가니 중 샘플 최대 380㎕(TGA 전용의 경우 2,800㎕) 측정이 가능하여 일반 열분석기와 비교하여 약 10배가 큰 부피의 샘플을 측정이 가능 합니다. 그리고, 비중이 작거나 부피가 큰 샘플 측정시 편하게 사용 가능 합니다. .
  14. 부식성 가스, 반응가스 OR 흡탈착 시험분야에 최강 ; 별도의 시료 용기를 사용하지 않고 직접 시료를 밸런스에 매다는 방식으로 로딩하여 시료(=샘플)를 직접 반응가스에 노출 시킬 수 있습니다. 서스펜션을 사용하여 가스/샘플의 상호작용이 개선되어 측정 샘플이 가스 환경에 최대한 노출될 수 있습니다
  15. 대기 환경 제어(Atmosphere control) ; 고진공, 습도, 반응가스, 부식 가스, 환경 제어기능 선택가능
  16. 다양한 가스주입 장치 (Gas Flow) ; 아래 테이블에 퍼지용 가스주입용 등 총 4종류의 혼합 가스 주입 시스템에 대한 수치와 설명 있습니다.
  17. 중량 측정 범위 (고용량) ; +/- 300 mg 또는 +/- 3,000 mg, 100 g 적재 용량 내의 질량 변화 범위
  18. 중량 측정 범위 (고민감) ; +/- 5 mg 또는 +/- 50 mg, 35 g 적재 용량 내의 질량 변화 범위
  19. 소프트웨어 ; Calisto(칼리스토)라는 유명 열분석기 전문 소프트웨어 공급. 칼리스토 운영 분석 소프트웨어에는 옵션에 따라, 고객이 요청한 100개 이상의 기능이 있고, 열분석 분야에서 가장 강력하고 유연하며 직관적인 소프트웨어와 데이터 처리 분석 시스템 입니다.


가장 다양한 측정 분석 기능의 모델 템이스(=THEMYS)의 상세사양 테이블

모델 템이스 (THEMYS)의 상세 사양 테이블


모델 템이스 TMA 열기계, 열물성 측정 의 사양 테이블 ;

모델 템이스-THEMYS-TMA의 상세사양 테이블



절대 엔탈피 측정용 – 낙하열량계 – 고온 DSC

고온 DSC 측정용, DROP CALORIMETER, 모델 CAVET DC 1,600℃

SETARAM사의 모델 CALVET DC, DROP CALORIMETER 외형 이미지

고온 DSC, 모델 CALVET DC 고온 측정용 낙하열량계의 사양 테이블 ;

Drop Calorimeter 의 상세사양 테이블


TGA에서 사용 가능한 고온 측정용 DSC 센서 VS 낙하열량계(Drop Calorimeter)는 어떤 점이 다른가?

  • 고온 측정용 DSC :
  1. 과정(process) 중심: 반응, 상변화, 열량(Cp), 비열 측정 등을, 가열/냉각 도중에 관찰.
  2. Heat Flow(열유속, 열흐름) 측정, 즉,시료에서 발생하거나 흡수되는 열 에너지를 시간에 따라 연속적으로 측정하는 것을 의미합니다. 즉, 단순히 전체 발열량(엔탈피 변화)을 한 번에 계산하는 것이 아니라, 열이 얼마나 빠르게(또는 느리게) 이동하는지를 실시간으로 측정하는 것 입니다.


  • Drop Calorimeter (낙하 열량계) :
  1. 상태(state) 중심: 고온에서의 절대 엔탈피를 직접 측정.
  2. 특히 합금 열역학 DB 구축, 초고온 엔탈피 데이터, 대량 시료 연구는 Drop Calorimeter가 반드시 필요.

요약 하면은,

DSC= “어떤 일이 일어나는가(변화 과정)”

Drop Calorimeter = “그 상태에서 에너지가 얼마나 저장돼 있는가(절대값)”


모델 CALVET DC Alexsys의 세타람 : 시료 2개 동시 측정용, 최대 1,000 ℃ => 세타람 웹사이트

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3D DSC 센서

CALVET 열량계의 3D 센서 이미지

CALVET DSC에 적용된 3D DSC 센서 개념 이미지

마이크로 정밀 DSC 측정용 3D Calvet DSC센서 원리를, 모델 템이즈 패밀리 열중량 분석기 TGA에 적용 하였습니다.

고온에서 빠르고 정확한 열용량 측정이 요구 되고 있습니다.

요약

현대 산업에서는 매우 높은 온도에 견디는 소재가 점점 더 많이 요구되고 있습니다.

따라서 소재의 *열적 특성(열용량(비열), 열전도도, 열확산도 등)*을 정확히 파악하는 것이 필요하며, 이는 소재의 사용 한계와 적합한 응용 분야를 결정하는 데 핵심적입니다.


특히 고온에서의 비열(Heat Capacity, Cp) 측정은 재료 과학자들에게 필수적입니다.

이를 위해 다양한 열량계 및 측정 방법이 사용되어 왔지만, 가장 흔히 활용되는 기술은 *DSC(시차주사열량계)*입니다.


그러나 기존 DSC 방식에는 몇 가지 문제가 있습니다 :

  1. 열전대(Thermocouple) 감도 저하: 600℃ 이상 사용 한계 온도에 근접할수록 센서의 감도가 떨어짐.
  2. 복사 효과(Radiation effects)로 인한 측정 교란.
  3. 일반 플레이트(Plate) 타입 DSC의 시료량 제한.


이러한 문제의 해결책은 Calvet 원리 기반의 3D 센서입니다.

3D 센서는 비열의 정확한 측정에 이미 CALVET 열량계 DSC 측정에서 성공적으로 사용되었으며, 이를 바탕으로 모델 THEMYS ONE DSC에 고온 Cp 측정을 위한 3D 센서가 설계되었습니다.


모델 THEMYS ONE 열중량 분석기에 개발 적용된 3D Cp 센서

1.고열 최대 1,600℃ 까지 사용 가능 :

Cp(비열) 측정 시스템은 THEMYS ONE 개발로 크게 발전했습니다. 이 장비의 퍼니스는 최대 가열 속도와 온도 균일성이 개선되었으며, 20~1600 °C 범위에서 최대 100 K/min의 속도로 스캐닝할 수 있습니다. 즉, 더 빠른 승온 속도가 가능해져 열 신호의 크기도 커집니다.


2.고열 최대 2,400℃ 까지 측정 할 경우 :

모델 THEMYS를 선택하고 세타람만의 특수 기술인 3 Coupled DTA 센서로 DSC 측정과 유사한

상전이와 열량 변화를 측정 할 수 있습니다.

3.최대 380 ㎕ 샘플 측정 가능 :

또한 넓어진 균일 온도 영역 덕분에 용량 최대 380 μL의 플래티넘 샘플 홀더와

옵션으로 제공되는 플래티넘 커버(아래 그림 3D 참조)를 설계할 수 있게 되었으며,

이로 인해 측정 가능한 시료 질량도 증가합니다.

380 μL 샘플 홀더는 로드(rod)의 알루미나 구조 위에 장착됩니다.



Cp 측정 감도는 Calvet 원리에 따라 *18개의 열전대로 구성된 서모파일(thermopile)*을 제작해 향상되었습니다. 플래티넘과 플래티넘-로듐 선이 알루미나 홀더 전체 표면에 순차적으로 납땜되어, 샘플이 교환하는 열이 완전히 포착 및 측정 됩니다.


정리하면, THEMYS ONE의 3D Cp 검출기는

  1. 고온(최대 1600 °C)에서도 빠르고 정밀한 Cp 측정 가능
  2. 시료 용량(380 μL) 증가 및 감도 향상
  3. 연속 가열 모드와 계단식 증가 가열 모드 두 가지 DSC 방식으로 Cp 계산

이렇게 요약할 수 있습니다.


옵션, 초미세 마이크로 DSC =3D센서 기술

  1. 세타람사의 3D DSC센서는 일반적인 판형 2D DSC센서가 700℃ 이상으로 열을 가할 경우, 급격하게 DSC센서의 측정 민감도가 나빠지는 것을 극복할 수 있습니다.
  2. 세타람사가 개발한 특수 3D DSC센서(=템이스 패밀리 적용 Cp 센서)로 300~1,600℃ 에서 측정 민감도와 정확도가 매우 뛰어 납니다.
  3. 일반적인 2D의 판형 DSC센서의 구조적인 한계인 40~50%의 열손실율은 샘플 측정 최대 도가니(=팬)을 30~120㎕ 부피 이내로 한정짓게 되나, 템이스 패밀리 버전 TGA에 사용되는 세타람사의 Cp 센서인 3D DSC센서는 열포착률 80% 이상이 가능하고,
  4. 380㎕ 샘플 도가니를 수용 할 수 있어서 다양한 샘플 크기의 열분석이 가능 합니다.


특히, 샘플 홀더가 커질 경우, 장점으로는 부피가 큰 샘플을 쉽게 샘플홀더인 도가니 팬에 장착 가능하고 열분석 중 부피 팽창이 심한 샘플 측정에 큰 장점이 있습니다.


아래는 3D DSC(Cp) 센서의 개념도 입니다.

세타람사 Cp 마이크로 미세 열용량 측정용 3D센서의 개념 이미지
  • 일반 DSC(2D) ; 샘플·레퍼런스 홀더 아래/근처에 평판(2D) 열전대 배열. 열분산 소실이 심해서 정밀 열전대 센서를 장착하여도 구조적 열발산소실로 인해 최대 열포착률 40~50%.


  • 3차원 DSC(3D) ; 샘플 레퍼런스 홀더 셀을 3차원 링 형태의 열전대가 둘러싸서 360도 전방향 열유속 통합. 열손실 최소화로 최대 열포착률 95%.
세타람사 DSC의 3D 고정밀 센서와 일반 2D센서와의 차이를 이미지로 설명





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스크래치,물성

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1999년 개업 이후, 지난 30여년간

  • 미.일.유럽 소재, Tribology(마찰/마모/윤활/CMP 연마), 스크래치, 고온 경도계, 베어링 시험기, 관련 유명 제조공급사인 BRUKER, PHOENIX Tribology, TABER, SHINTO Heidon, INNOWEP, AMTEC, TRICO사.
  • 열분석기 관련 스위스 KEP 그룹의 SETARAM SETSAFE SETSMARMT, 일본 ENEOS MATERIALS사의 수지 열경화 시험기 등

최첨단 장비들을 국내에 소개 및 판매 기술 지원하여 왔으며, 또한 이기술을 바탕으로 일부 품목 제조를 통하여 국산화에도 노력하여 왔습니다. 앞으로도 더욱 노력하여 국내 기술 발전에 이바지 하도록 하겠습니다.

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