시차 주사 열량측정법 (Differential scanning calorimetry)

 

목차
1. 시차 주사 열량 측정법이란?
2. 시차 주사 열량 측정법의 원리
3. 열용량의 개념

 

 

1. 시차 주사 열량 측정법이란?

일반적으로 물질은 온도가 변화됨에 따라 물리적, 화학적 변화를 일으키며, 대부분의 화학적, 물리적 변화를 일으키는 물질은 각각 열을 흡수하거나 방출한다. 따라서 시료의 열 출입을 관찰하면 그 시료의 화학적, 물리적 변화 여부를 알 수 있다. 이러한 원리를 이용한 대표적인 열분석 장비가 DSC이다.

 

DSC는 Differential scanning calorimetry(시차 주사 열량 측정법)의) 약자로, 시차 열분석(DTA) 시차 열분석(DTA)을 개량한 열 분석법이다.. 시료와 기준물질을 동일 조건하에서 일정 속도로 가열 또는 냉각하여, 시료의 열 출입을 측정한다. 두 물질 간의 온도가 같아지도록 전기적으로 가하는 열량의 차를 세로축에, 온도(또는 시간)를 가로축에 기록한다. DTA는 시료 내의 열전도와 관련이 있지만 열량의 정량적 측정이 곤란하다. 그러나 DSC에서는 시료와 기준물질의 가열장치가 서로 달라 가열로의 온도를 올리거나 내릴 때 온도 차이가 발생하고 이를 보정하기 위한 에너지가 공급된다. 이 측정에 의해 시료의 비열이나 11 차상 전이의 온도 등을 결정할 수 있다.

 

 

 

 

식품에서는 전분의 호화, 노화, 다당류 gel의 sol-gel 전이, 난백의 가열 응고, 그 밖의 단백질의 변성, 지방질에서는 고체 지방 지수, 카카오 버터의 결정형의 판별, 단백질, 당 등으로 물과의 상호작용, 식품 중의 물의 존재 상태, 또는 알코올음료, 초콜릿의 품질평가 등 다양하게 사용되고 있다. DSC는 비교적 소량의 시료로도 측정이 가능하고, 조작이 그리 복잡하지 않고 자동화되어 있는 것이 특징이다.

 

2. 시차 주사 열량 측정법의 원리

기준물질은 가열로의 온도 조절에 따라 함께 조절되나 시료 물질은 주어지는 온도에 의해 흡열/발열의 반응이 이루어지므로 기준물질과 온도 차이가 생기게 된다. 따라서 온도와 열 유속판(heat flux plate)에 의해 열량 값을 얻을 수 있게 된다.

 

열 흐름판은 이를 가열해주는 가열로, 기준물질과 시료 물질의 온도를 측정하는 열전쌍(thermocouple)이 각각 장착되어 있다. 온도 프로그램에 의해 샘플에 가열을 하고 그때 아래 그림과 같은 샘플에서 발열이나 흡열이 일어나게 되며, 이때 열 흐름판을 통해 열의 흐름이 발생하게 된다.

 

 

 

 

3. 열용량의 개념

열용량이란 어떤 물질의 온도를 1℃ 또는 1K 높이는데 필요한 열량으로 열을 가하거나 빼앗을 때 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다. 단위 질량에 대한 열용량은 비열이라고 한다. 열용량의 단위는 cal/℃ 또는 J/K를 사용한다.

(C = 열용량, Q = 어떤 물질에 가해준 열의 양, △T= 가열에 의한 온도 변화)

 

 

위의 식에서 알 수 있는 바와 같이 가해준 열용량(C)은 가해준 열의 양(Q)에 비례하고 온도 변화에 반비례한다. 즉, 같은 양의 열을 가할 때 온도 변화가 적으면 물질의 열용량은 크고 온도 변화가 크게 나타나면 물질의 열용량은 작다. 일반적으로 열용량의 크기는 질량에 비례하므로 같은 물질일 때 질량이 큰 쪽이 열용량이 크게 나타나게 된다. 즉, 물질의 열용량은 다음과 같이도 나타낼 수 있다.

 

(C = 열용량, c = 비열, m = 물질의 질량)

 

DSC에서는 온도변화, 즉 △T를 일으키는 열량을 알아야 하며, 이 열량을 이용하여 화학반응과 같은 상태 변화에 의해서 발생하는 열량을 알아낼 수 있다. DSC에서 방출된 열과 온도 변화 사이의 관계는 DSC의 열용량으로 주어지는데 열용량은 보통 기준물질로 적용되는 사파이어(Sapphire)와의 차이를 이용하여 각 온도별로 측정할 수 있다.

 

열용량은 일반적으로 –100℃ 부근부터 시작하여 700℃까지 측정하는 저온용 DSC로 측정하는 것이 일반적이나, 최근에는 1400℃까지도 측정할 수 있는 고온용 DSC가 개발되어 있어 금속이나 기타 무기물질의 열용량도 한도 오차범위 3% 이내까지 정확히 측정할 수 있다.