THERMAL DIFFUSIVITY BY THE FLASH METHOD
어떤 물질의 열확산도(thermal diffusivity, a )는 시간에 대해 온도가 변화하는 동안 그 물질의 전도성에 의해 열이 전파되는 속도를 결정하는 열물성이다. 열확산도가 높을수록 열 전파가 빠르다. 열확산도는 열전도율(thermal conductivity, l ), 비열(specific heat, Cr ) 그리고 밀도(density, r )와 다음과 같은 상관관계를 갖는다.
위식에 의하면, 열확산도는 어떤 물질 내부에서의 일시적인 열전도과정에 영향을 미친다는 것을 알 수 있으며, 시간당 길이의 제곱 (길이2/시간) 의 형태이고 표현단위는 m2/s이다.
열확산도를 측정하는 가장 대표적인 방법은 플래쉬 방식이다. 매우 탁월한 정확도와 반복성을 제공하는 동시에 매우 빠르게 시험을 할 수 있다는 장점이 있다. 시료가 희망하는 온도(T0)에서 안정화된 후에, 거의 순간적인 에너지 (통상 레이저나 기타 방전 에너지를 사용한다) 펄스를 시료의 앞면에 발사시키고, 시료 후면의 온도변화(DTt )를 시간에 따라 기록하는 방식이다 (아래 Figure 1 참조). 이때 열확산도는 이러한 온도기록계에 의해 결정된다.
온도변화곡선의 특징은 다음 Figure 2 에 묘사되어 있는 것과 같다. 열손실이 전혀 없다면, 시료 후면부의 온도는 최고점에 다다른후 무한정 그 지점에 머무를 것이다 (curve A). 그러나, 열손실이 증가하면, 후면부의 온도는 최고점에 도달한후 감소하게 된다 (curve B와 C).
파커(Parker)에 의해 제시된 최초방식은 등방성(等方性) 그리고 단열성 시료를 가정하고 있다 (열손실 없음). 열확산도는 시료의 두께(L) 그리고 최고온도의 중간에 도달하기까지의 시간(t1/2)에 의해 결정된다.
이 방식은 단열성 시료라는 이상적인 조건과 순간적인 펄스 가열을 가정하고 있기 때문에, 응용하는 데 있어 다소 한계를 갖고 있다. 실험적 환경에 더욱 적합하게 하기 위해, 지난 수년동안 다른 방식들이 소개되어 왔는데, 이를테면, 열손실, 펄스 지속시간의 한정, 일정치 않은 펄스가열, 복합(비균일성) 구조 등을 인정하고 이를 제어하는 방식들이다.
플래쉬 시스템의 주요 장점은 다음과 같다:
◎ 매우 작은 시료를 사용한다. 통상 12mm 직경에 밀리미터 두께의 시료를 사용.
◎ 매우 빠르다. 실제 측정은 불과 몇초만에 이루어 진다.
◎ 통상의 열전도율 측정장치가 겨우 10:1 비율의 범위를 측정하는 데 반해, 이 방식을 사용하면 동일한 장치로 매우 광범위한 범위의 열확산도를 측정할 수 있도록 만들 수 있다(10-3 에서 10 cm2/s 까지)
◎ 적절한 조치를 취하며, 다른 열물성치 (비열, 열전도율 등)를 측정하는데 이용될 수도 있다.
◎ 안정상태 방식 보다 훨씬 높은 고온에서도 측정이 가능하다. 심지어, 용해되는 경우가 있더라도....
주요 단점:
◎ 열 펄스 작동장치가 필요하고, 광학 탐지기, 그리고 순간적인 데이터 획득장치 등이 필요하기 때문에, 통상 가격이 매우 비싼 편이다.
◎ 다공성 물질이나 비균질성 물질의 경우, 적절한 온도기록를 얻기위해서는 특별한 조치가 필요하다.
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