고압 DSC (고압 시차주사열량계)
고압 DSC 실험 시, 고압 제어의 목적 ?
- CALVET 패밀리 모델들은 선택적으로 시료 홀더인 고압 셀 (High Pressure Cell)이나 고압 도가니를 장착하여 고압 DSC 실험을 할 수 있습니다.
- DSC 열량계 내부 하드웨어는 그 자체가 압력 안정성과 단열 특성이 우수하여, 최대 1,000 bar 수준까지 제어가 가능하며, 이는 단순히 “강한 압력을 주기 위해서”가 아니라 특정 반응을 재현하거나 촉진하기 위한 것 입니다.
- 즉, 고체-기체 반응(흡착·탈착, 산화·환원 등)이 실제 공정 조건(고압 가스 환경)에서 일어나듯이 열량계 내에서 측정하기 위해 압력이 필요할 뿐 아니라, 미세 화학 반응을 가속 촉진하게 합니다.
왜, 고압 DSC (고압 시차주사열량계)가 필요한가?
화학 반응 속도를 가속화하고 분석 시간을 단축하는 데 매우 효과적인 기법입니다. 또한 기화를 억제하여 중복 효과를 제거하거나, 유리 전이를 더 낮은 온도로 전환하거나, 실제 공정 조건을 재현하는 데 사용할 수 있습니다.
1. 기체의 용해도/흡착량 증가
- 압력이 높아질수록 고체 표면에 흡착되는 기체의 양이 늘어납니다.
- 예: 수소 저장 소재 (Hydride, MOF, C14/C15 alloys 등) => 수소가 고체에 흡착·탈착되며 발열/흡열 반응 발생. 고압(최대 500–1000 bar)에서 흡착열·탈착열 및 반응 엔탈피 측정
- 예: CH₄, NH₃ 저장 시스템 연구 => 흡착제/촉매의 작동 조건 모사. 200–600 bar까지 압력 변화에 따른 반응 열 변화 분석
- 예 : CO₂ 포집·전환 반응 => 금속산화물, 아민계 흡착제, 촉매 반응 등. 고압 CO₂(>200 bar) 하에서 흡착반응의 열역학적 안정성 평가
2. 반응 속도 가속화
- 산화·환원 반응이나 기체 흡수 반응은 고압에서 더 빠르고 강하게 진행.
- 따라서 반응 엔탈피(ΔH)와 열용량(Cp) 측정이 용이해집니다.
3. 초임계 유체(Supercritical Fluid) 반응 및 물성 분석
- 초임계 유체는 기체와 액체의 성질을 동시에 가지는 상태의 물질입니다.
- 즉, 압력과 온도를 특정한 한계(임계점, Critical Point) 이상으로 높였을 때 생깁니다.
- 초임계 유체란 기체처럼 확산이 빠르고, 액체처럼 용해력이 높은 아주 특별한 상태의 물질입니다.
- 고압 DSC나 TGA 실험에서는 이러한 상태를 모사해 반응 열, 용해열, 안정성, 흡착·탈착 특성 등을 분석할 수 있습니다.
- 고온·고압에서의 산화·용해·가수분해 반응 분석: 200~400bar 압력 필요. CO₂ 초임계 실험: 보통 80~150 bar. 초임계 수(水, H₂O) 실험: 고온·고압 영역인 250~600 bar. 메탄올·에탄·프로판과 같은 유기액체 용매계 초임계 실험: 대체로 100~200 bar 수준
4. OIT(산화유도시간) 분석 시간 단축
- 고압 DSC에서는 산소가 들어 있는 분위기의 *압력(산소 분압)*이 높아집니다.
- 산소 분압이란, 공기 중에서 산소가 차지하는 압력으로 — 압력이 높을수록 시료 표면에 산소가 더 많이, 더 빠르게 닿게 됩니다. 이로 인해 산화 반응이 더 빨리 시작되어 OIT 측정 시간이 짧아지고, 반복 측정 시 재현성도 향상됩니다.
5. 중첩 반응 분리를 위한 기화 억제 효과
- 고온에서 일부 시료는 *산화 반응과 함께 휘발(기화)*이 동시에 일어날 수 있습니다.
- 이 두 현상이 겹치면 DSC 신호가 복잡해져 해석이 어렵습니다.
- 고압 DSC는 압력에 의해 휘발성 성분의 기화를 억제하여, 순수한 산화 반응만 분리해 관찰할 수 있습니다.
- 그 결과, 중첩된 열반응 신호를 명확히 구분할 수 있습니다.
6. 고압 반응 엔탈피 분석 (Reaction Enthalpy)
- 고압 DSC는 *화학 반응 시 방출되거나 흡수되는 열량(엔탈피)*을 직접 측정하는 데 사용됩니다.
- 예를 들어, 바이오매스나 촉매 반응처럼 반응 중에 기체나 수증기가 발생하는 경우,
- 일반 DSC에서는 기화로 인해 신호가 불안정하지만, 고압 DSC에서는 일정한 압력으로 기화를 억제하여 정확한 반응열(ΔH)을 얻을 수 있습니다.
- 시험 예시 압력 범위: 약 10~100 bar (보통 30 bar 전후에서 반응이 안정적으로 진행됨)
- 활용 분야: 촉매 반응, 고분자 중합반응, 열분해 반응의 총 발열·흡열량 측정
- 요약: 고압 DSC는 기화나 분해로 인한 신호 손실 없이, 고온·고압 환경에서의 실제 반응열(엔탈피)을 정밀하게 측정할 수 있습니다.”
7. 고압 하에서의 물리적 전이(Phase Transition) 분석
- 일부 결정성 물질은 *압력이 변하면 내부 구조(결정상)*가 바뀌는 경우가 있습니다. 예를 들어 요오드화암모늄(NH₄I) 같은 물질은 압력이 높아지면 고체 안에서 *분자 배열이 달라지는 고체–고체 전이(solid–solid transition)*가 일어납니다.
- 고압 DSC를 이용하면 시료의 *전이 온도(phase transition temperature)*가 압력에 따라 어떻게 변하는지를 아주 정밀하게 관찰할 수 있습니다.
- 시험 압력 범위: 약 10~800 bar (상전이 압력 효과를 명확히 보기 위해 보통 100~400 bar 실험이 많이 사용됨)
- 활용 분야: 결정성 고체, 무기염, 반도체 재료, 배터리 전해질 등
- 예시: 고압 DSC는 압력 변화에 따른 고체상의 구조 전이와 열량 변화를 직접 측정하여, 재료의 상안정성 및 전이 메커니즘을 밝히는 데 유용 합니다.
8. 고압 하에서의 용해열 및 용점 변화 분석
- 액체로 녹는 과정에서도 압력은 큰 영향을 미칩니다. 압력이 높아지면 기화가 억제되고, 일부 물질은 융점이 상승하며, 이때의 **용해열(ΔHfusion)**을 정확히 측정할 수 있습니다.
- 시험 압력 범위: 약 10~200 bar (기화가 빠른 물질은 50~100 bar 이상 필요)
- 활용 분야: 고분자, 왁스, 지방, 제약 원료, 융해·결정화 공정 평가
- 예시: 고압 DSC는 고압 조건에서 용해와 결정화의 열량을 직접 측정하여, 실제 공정 압력 하에서의 물질 거동과 융점 변화를 정확히 파악할 수 있습니다.
9. 고압 하에서 액체가 끓는 비등점 간접 분석
- 용매 혼합물의 비등점 변화 측정 — 혼합 비율에 따른 azeotrope(증류해도 조성비율이 불변하는 혼합물) 형성 여부 확인
- 고압 하에서의 반응 용액 안정성 평가 — 예: 전해액, 유기용매, 촉매 용액 등
- 초임계 유체 상태 전이 확인 — 액상→기상→초임계 상태로의 연속적 변화 분석
- 엔탈피 데이터 산출 (ΔH_vap) — 증기화 과정의 흡열량을 통해 열역학적 특성 도출
10. 실제 공정 조건 모사
- 촉매, 배터리 소재, 연료전지 소재 등은 산업적 운전 조건에서 수십~수백 bar 이상을 경험.
- 연구실 조건(대기압)과 차이가 크기 때문에, 실제와 유사한 환경에서 데이터를 얻어야 의미가 있습니다.
타사의 고압 DSC는 최대 100~150 bar 한계인데, 세타람 고압 DSC가 400~1,000bar 제어는 우수한 기술이나 과도한 사양이 아닌가요 ?
1. 위에서 언급한 시료 실험에서 최대 150bar 시험이 부족함을 이해할 수 있읍니다.
2. 1,000 bar 수준의 고압 DSC 내부 하드웨어는 그 자체가 압력 안정성과 단열 특성이 우수합니다. 따라서 실제 자주 하는 실험 시료가 100–200 bar에서 가능 하다고 하더라도, 400~1,000bar 압력 제어의 우수한 하드웨어는 열량 측정 기본 신호인 baseline drift가 적고, leak rate가 현저히 낮습니다. 그러므로, 최대 400bar나 최대 1,000bar 제어 DSC 열량계를 선택하는 것이 합리적 입니다.
고압 DSC (고압 시차주사열량계)의 실험 추가 사례 ;
1. 에너지 저장/변환 소재
- 수소 저장용 합금 -> LaNi₅ 개량형 란탄-니켈 합금 / MgH₂ 마그네슘계 수소저장 합급 등
- 다공성 소재 : 기체 저장 분리 및 촉매 , 약물전달제, 센서/전극 용 -> 금속 유기 골격체 (MOF), 제올라이트, 활성탄 (수소, 메탄, CO₂ 저장 연구)
- 전지 전극 소재 : (고압 O₂ 분위기에서의 산화, 환원 반응) ->1. 배터리 양극재는 금속산화물로 양극재 분말을 재생 제조 할때는 고온 소성 공정을 거치고, 고압산소 분위기에서 소성해 산소손실을 막고 고품질 양극소재 생산을 할 수 있어 고압 산소 실험은 제조공정 최적화에 필요. 2.산소 방출 열폭주 안전성 연구. 셀 내부에서 열폭주 시 산소방출-연소- 폭발에 대한 평가용 산소 분압별 산화 환원 반응열 과 산소방출온도를 측정해야 함.
2. 촉매 및 반응 연구
- Fischer–Tropsch 촉매 (CO + H₂ 반응) : 철·코발트 촉매 사용, 합성연료 제조
- 수소 연료전지 촉매 (Pt 백금, Pd 팔라듐 등 → O₂ 흡착/환원 열량 측정)
3. 탄소 포집/CCUS 연구 (탄소 포집 활용 저장)
- 아민계 흡착제,
- 금속산화물 흡착제 (산화칼슘, 산화마그네슘 등 → CO₂ 흡착·탈착 반응 엔탈피)
4. 부식/재료 안정성 연구
- 금속·합금이 고압 산소/수소/CO₂ 환경에서 받는 열적 거동
- 예: 원자력 소재, 배터리 금속 집전체 등
5. 고분자 및 플라스틱
- 사출성형·압출 공정 중 수백 bar 이상의 압력이 걸리며, Cp 와 열적 특성이 달라짐.
6. 지질·지구과학 샘플 (광물, 암석, 유체포함물)
- 지하 심부 조건(수백~수천 bar)을 모사하여 상변태, 용융, 열역학적 성질 연구.
모델 CALVET 의 동영상
소형 중형 크기 시료 측정용 고압 DSC : 고체 액체 소재/화학공학 공정/고에너지 소재 개발 분야 적용
Max 1,000bar 압력 제어
스위스 세타람 사 제조 공급
위 동영상은 세타람사 고압 DSC ; CALVET CALROIMETER 11가지 모델 중, 모델 CALVET PRO에 대한 소개 입니다. KEP Technologies 그룹 / SETARAM사 한국대리점은 한미산업 입니다.
연구설계 세타람 사 스위스 제네바 근교 소재–>웹사이트
제조 세타람 사 프랑스 리옹 (제네바 남서쪽 1.5시간 거리)
최종출하 세타람 사 프랑스
모델명 CALVET PRO
한국대리점 한미산업
고압 DSC(=High Pressure DSC), 모델 소개
모델 CALVET(구형 C80)
(소형 중형 크기 시료 측정용, 고체 액체 소재/화학공학 공정/고에너지 소재 개발 분야 적용)
기본 설명 ;
–CALVET CALORIMETER 는 95% 열포착률의 혁신적인 3D 센서를 탑재한 것이 특징입니다.
이 센서는 측정 샘플의 홀더인 셀을 360° 둘러싸는 열전대(thermocouple)를 기반으로 하며, 시료 주변에서 발생하는 열
을 완벽하게 감지하도록 설계되었습니다. 이 기반 위에서 CALVET 칼로리미터는 구성 됩니다.
–다양한 기능을 가진 여러 종류의 샘플홀더인 셀을(=Cell) 장착할 수 있으며, 각 셀은 다음과 같은 특정 기능을 제공합니다.
- 배치(batch=실험시작 종료까지 외부유입 없음), 반배치(semi-batch=시험중에 외부에서 기체 유량 압력 조절 가능, 반응진행을 단계별로 관찰 가능), 연속 혼합 (Mixing)
- 교반(stirring)
- 내압성(pressure resistance)
- 압력 측정 및 조절
이러한 조합을 통해 응용 가능성은 사실상 무한합니다.
–CALVET은 사용자가 전용 셀과 악세사리 사용 시, 다양한 고체 액체 기체의 샘플에 대하여 다음과 같은 연구를 위해 정밀하고 다양한 측정을 수행할 수 있도록 합니다.
- 열용량(heat capacity)
- 혼합열(mixing)
- 상전이(transitions)
- 화학 반응(reactions)
- 열분해(decomposition)
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핵심은 3D 열 감지 구조와 다기능 샘플홀더 셀의 호환성이 CALVET을 단순 측정기가 아닌 다목적 열 분석 플랫폼으로 만든다는 점입니다.
응용 사용 분야 ;
수년간 CALVET은 다양한 연구 및 산업 분야에서 기준 장비로 자리 매김해 왔습니다.
특히 화학공학과 에너지 물질(energetic materials) 개발 분야에서 그 위상을 확고히 했습니다.
주요 응용 예시는 다음과 같습니다.
- 화학 공정의 효율성과 안전성 연구 (실험실에서 초정밀 CALVET DSC를 이용하여, 미니-플랜트 수준의 공정에서 발생하는 발열·흡열, 장치의 열손실, 저장된 열을 모두 계량화하여 “열 에너지의 균형표” 측정 분석)
- 에너지 저장(배터리, 수소, 상변화 물질 등) 소재의 안전하고 효율적인 활용
- CO₂ 포집 및 저장 물질 및 공정의 효율성 평가
- 촉매(catalyst) 및 흡착제(adsorbent)와 같은 물질의 성능 최적화
- 반응성 물질, 산화 환원
- 기체 흡착(수소, CO₂, CH₄ 등) 열량 측정
- 기체–고체 반응 (촉매 반응, 흡착제 반응)
- 기체–액체 혼합 반응 (용해, 기포 발생 등)
- 핵물질 및 방사성 폐기물, 의 안전한 저장 연구 (전용 모델 HEAT-CHECK)
- RTG(방사성 동위원소 열전발전기)의 설계 개발 생산 연구에 필요
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핵심은 CALVET이 에너지·환경·안전성 평가와 소재 최적화 분야에서 폭넓게 활용된다는 점입니다.
특징 ;
1. 최고 수준의 열 측정 정확도 : 열전대(thermocouple) 기반 3D DSC 센서와 줄(Joule) 효과 보정 적용
2. 등온(iso thermal) 및 온도 스캐닝 모드 : 초정밀, 최대 300°C까지 실제 조건을 유연하게 재현
3. CALVET HT(상온~600℃) / CALVET CRYO(-196~200℃) / CALVET DC(최대 1,600℃) => 웹 사이트
4. 고체,액체,기체 시료 모두 정확한 측정 실현.
5. 편리한 교체형 셀 : 하나의 장비로 가장 까다로운 실험까지 수행 가능:
- 고압(최대 1,000 bar) 및 고진공 제어
- 샘플홀더 Cell 크기 : 최대 12.5 ㎖, 모델 CALVET LV 4C(100㎖ X 2개, D형 배터리 2개)
- 다양한 용도의 샘플홀더인 Cell이 대부분 세척후 재사용 가능하여 경제적임 (단, 휘발성 소재, 환경에 민감한 액체 기체 소재를 담는 유리 ampoule은 불로 밀봉, 깨서 개봉함으로 1회용)
- 압력 측정 및 제어
- 혼합/교반 실험
6. 외부 장치 연동 기능 : 연구 범위를 확장하도록 설계
- 마노메트리(manometry) : 화학반응 압력 측정
- BET 장비 : 기체 가스 흡탈착량 측정
- 가스 분석기 : FTIR, MS, GC_MS 정성정량 연동 분석
- 습도 조절기 : 습도제어, 및 부식성 반응성 가스 환경 조성
- 고압 가스 주입 패널
모델 CALVET PRO
(소형 시료 측정용, 뛰어난 Cp 측정 정확도로, 대부분의 고체 액체 소재 특성화에 유용 )
기본 설명 ;
–CALVET PRO는 상위 모델인 CALVET 및 CALVET CRYO와 마찬가지로, 혁신적인 95% 열포착률의 3D 센서 기술을 탑
재하고 있습니다. 이 센서는 소형 샘플 홀더인 측정 도가니(crucible)를 둘러싸는 3D 열전대 네트워크를 사용하여, 시료
주변에서 발생하는 열을 완벽하게 감지합니다.
–CALVET PRO는 단 몇 mg 수준의 소량 샘플을(최대 300mg), –120°C에서 830°C까지의 넓은 온도 범위에서 시험할 수
있도록 설계되었습니다.
–다양한 교환식 셀과 도가니를 사용할 수 있어, 예를 들어 고압 조건이나 가스 흡착 분석기(gas sorption analyzer)와의 연계 등 매우 폭넓은 응용이 가능합니다.
–TGA(열중량분석) 옵션을 지원하며, 대칭형 행-다운 밸런스(symmetrical hang-down balance) 기술을 이용해 매우 정밀한 열중량 분석을 수행할 수 있습니다.
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이 모델의 핵심은 소량 시료·넓은 온도 범위·다양한 셀 교환·정밀 TGA 기능입니다.
응용 사용 분야 ;
- 에너지 및 환경 분야의 대부분의 소재를 특성 분석할 수 있습니다. 특히 촉매(catalyst)와 흡착제(sorbent) 물질이 포함 됩니다.
- 복합 재료 또는 이종 재료의 상전이 및 열용량
- 산화 환원
- 고압 옵션을 활용하면 수소 저장 물질, 에너지 물질(energetic materials)의 시험 및 공정 안전성 평가(Process safety evaluation)에도 사용할 수 있습니다.
- 반응서 폭발성 물질 안정성 평가
- 기체 흡착 탈착, 열분해 실험 (DSC, TGA)
- 고체 액체 기체 모든 시료에 대하여(전용 셀과 악세사리 사용 시), 비열(cp)에 대한 측정 정확도의 우수한 특장점은 타사에서 실현하기 어려운 기술 입니다.
특징 ;
1. 최고 수준의 측정 정확도
- 열 측정: 열전대(thermocouple) 기반의 Calvet 3D DSC 센서와 줄(Joule) 효과 보정 적용
- TGA 질량 변화 측정 : 옵션으로 제공되는 행-다운 대칭 빔 저울(hang-down symmetrical beam balance) 사용
2. 등온(iso thermal) 또는 온도 스캐닝 모드
- 초정밀 제어
- –120°C부터 830°C까지, 실제 조건을 유연하게 재현 가능
3. 편리한 교체형 도가니(crucible)와 셀 : 하나의 장비로 가장 까다로운 실험까지 수행 가능
- 고압(최대 500 bar, 제어 400bar), 및 고진공 제어
- 소형 샘플 용량 최대 320㎕, 2~320㎕의 고체 액체 기체 시료 모두 정확한 측정.
- 압력 내성, 측정 및 제어
- 충전층 반응기(packed bed reactor) 실험
4. 외부 장치 연동 기능 : 연구 범위를 확장하도록 설계
- 마노메트리(manometry) : 화학반응 압력 측정
- BET 장비 : 기체 가스 흡탈착량 측정
- 가스 분석기 : FTIR, MS, GC_MS 정성정량 연동 분석
- 습도 조절기 : 습도제어, 및 부식성 반응성 가스 환경 조성
- 고압 가스 주입 패널
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핵심은 CALVET PRO가 열량·질량 모두에서 정밀 측정이 가능하고, 극저온부터 고온까지 폭넓은 조건에서 다양한 반응·공정 실험을 하나의 장비로 수행할 수 있다는 점을 강조하고 있습니다. 외부분석장치와 연동해 연구범위를 확대할 수 있습니다.
초미세 마이크로 나노 열량계, 95% 열포착률 : 3D DSC센서 기술 => 상세 설명 (페이지 상단에)
열 분석기 만큼 중요한 고압 DSC의 => 샘플 홀더인 다양한 CELL(셀) 기술 => 상세 설명 (페이지 하단에)
한미산업
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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