DROP CALORIMETER

DROP CALORIMETER

(낙하열량계=고온열량계)

Drop Calorimeter(낙하 열량계)가 필요한 이유 ?

1.고온 엔탈피의 절대값 직접 측정

• TGA에 사용되는 1,000℃ 이상 측정용 고온 DSC/Cp Rod는 보통 Cp(열용량)의 적분값으로서, 엔탈피 변화를 간접적으로 얻습니다.
• Drop Calorimeter는 시료를 고온에서 바로 열량계로 투입 → 그 온도에서의 엔탈피 절대값을 직접 측정.
• 즉, “온도 2,000 °C에 있는 철의 엔탈피는 얼마인가?” 와 같은 데이터는 Drop 방식이 필요합니다.

2.열역학 Database (CALPHAD, FactSage 등) 구축용

• 합금 설계, 광물/세라믹 상평형 계산에 필요한 것은 절대 엔탈피 데이터입니다.
• 이는 1,000℃ 이상 측정용 고온 DSC나 Cp Rod로는 얻기 힘든 값이므로 Drop Calorimeter가 필수

3.초고온 안정성 연구

• 모델 THEMYS (고온 DSC 측정이 가능한 만능 TGA)는 1,600–2,400 °C까지 정밀하게 가열 제어 할 수 있으나, 고온 측정용 DSC센서의 안정성과 측정 재현성 때문에 고온에서는 정확도가 떨어질 수 있습니다.
• Drop Calorimeter는 단순히 “뜨겁게 만든 시료를 떨어뜨려 엔탈피만 측정”하므로, 초고온 영역에서도 안정적으로 동작.

4.대량/고체 시료 측정 가능

• DSC/DSC-type 센서는 보통 mg~g 단위의 소량 시료를 사용.
• Drop Calorimeter는 수 g 단위 고체 덩어리 시료를 직접 측정할 수 있어 실제 공정 재료 조건을 반영하기 용이.

5.비정상 과정이나 반응 전후 상태 비교

• 모델 THEMYS는 heating process 중의 “경로 데이터”에 강점.
• Drop Calorimeter는 heating process를 거친 시료의 **상태 함수 (엔탈피)**를 최종적으로 정확히 잡아낼 수 있음.

세라믹 소재의 신뢰할 수 있는 상평형도(Phase Diagrams) 구축

• 상평형도는 온도·조성(또는 압력)에 따라 재료가 어떤 상태(상, phase, 고체 액체 기체)로 존재하는지를 한눈에 보여주는 지도 그래프 입니다.

• 세라믹 재료 공학에서 매우 중요한 데이터 세트로, 세라믹의 조성에 따른 고온에서의 상 안정성, 상변환 및 재료 호환성에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

• 이러한 정보는 재료 제조는 물론 산업 응용 분야에서 안정적인 성능을 보장하는 데 필수적입니다.

• 스위스 세타람의 모델 Calvet DC 고온 DSC 열분석기는 상전이 온도를 정밀하게 측정하여 극한 환경에서 사용되는 세라믹의 상평형도를 구축하는 데 필수적인 견고하고 신뢰할 수 있는 데이터를 제공합니다.

• 또한, 낙하 열량 측정(Drop Calorimeter) 선택을 통해 열용량과 생성열을 정확하게 측정할 수 있으며, 이는 상평형도 계산에 널리 사용되는 CALPHAD 방법의 핵심 입력 변수입니다.

• CALPHAD는 열역학 계산을 통해 재료의 상평형도(Phase Diagram)와 상변화를 예측하는 방법입니다. 이때 각 상의 *열용량(Cp)*과 *엔탈피(생성열)*가 핵심 입력 데이터로 사용되며, *낙하 열량계(Drop Calorimeter)*는 이러한 고온 열역학 물성을 실험적으로 가장 정확하게 측정하는 장비입니다. 즉, 낙하 열량계로 얻은 정밀 열량 데이터는 CALPHAD 상평형도 계산의 기초 데이터로 활용됩니다.

• 낙하 열량 측정은 상온의 시료를 고온의 센서에 떨어뜨리는 방식으로 이루어집니다.

왜, 고온 TGA에서 사용가능한, 고온 측정용 DSC나 Cp 센서와 별도로

Drop Calorimeter가 필요한가?

• 고온 측정용 DSC → 과정(process) 중심: 반응, 상변화, Cp, 질량 변화를 가열/냉각 도중에 관찰.
• Drop Calorimeter → 상태(state) 중심: 고온에서의 절대 엔탈피를 직접 측정.

특히 합금 열역학 DB 구축, 초고온 엔탈피 데이터, 대량 시료 연구는 Drop Calorimeter가 반드시 필요.

쉽게 정리 하면은,

DSC= “어떤 일이 일어나는가(변화 과정)”

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

Drop Calorimeter 측정 절차는 ?

1.시료 준비

• 시료를 정밀 저울로 무게 측정
• 캡슐(알루미나, Pt 등)에 넣어 준비

2.열량계 교정

• 전기 교정(줄열)이나 표준물질로 감도 확인

3.상온 시료 드롭

• 시료를 상온 상태에서 열량계에 떨어뜨림 (Temperature, Reference)
• 기준 신호(상온 엔탈피 값) 기록

4.시료 고온 예열

• 다른 동일 시료를 목표 온도(Temperature, High) 까지 가열
• 충분히 온도 평형 후 준비

5.고온 시료 드롭

• 예열된 시료를 열량계로 신속히 떨어뜨림
• 고온 엔탈피 값 기록

6.데이터 처리

• (고온 드롭 신호) – (상온 드롭 신호) = ΔH =열용량= H(Temp high) – H(Temp ref)
• 여러 온도 반복 → 엔탈피 곡선 작성
• 기울기 → Cp 값 계산 가능

DROP CALORIMETER

모델 CAVET DC의 내부 이미지

(스위스, 세타람사 제조 공급)

낙하 열량계의 개념도