열팽창계수(CTE) 측정
1. Dilatometer (DIL)
Dilatometer(팽창계)는 재료의 열팽창 계수(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)를 측정하는 장비로, 온도 변화에 따른 시료의 팽창 또는 수축을 정밀하게 측정하는 기기이다. 이 장치는 특히 세라믹, 금속, 폴리머, 반도체 재료 등의 열적 특성을 분석하는 데 사용된다.
1) 푸쉬로드(Push-Rod) 접촉
시료를 장비 내부의 전기로(furnace) 안에 배치
시료 위에 푸쉬로드(push-rod, 밀대)를 올려놓음
2) 온도 변화 적용
온도를 서서히 상승 또는 하강시키며 시료가 팽창 또는 수축하는 변위를 측정
-180°C ~ 2000°C까지 가능 (고온 측정에 유리)
3) 선형 변위 측정
시료가 팽창하면 푸쉬로드가 미세하게 밀려남
LVDT (Linear Variable Differential Transformer, 선형 변위 센서) 또는 레이저 변위 센서를 사용하여 변위를 정밀 측정
4) CTE 계산
수집된 길이 변화(ΔL)와 온도 변화(ΔT)를 바탕으로 열팽창 계수(CTE)를 계산
2. Thermomechanical Analyzer(TMA)
TMA(Thermomechanical Analyzer, 열기계 분석기)는 온도 변화에 따른 시료의 기계적 변형을 측정하는 장비이다.
온도를 변화시키면서 시료에 일정한 힘을 가하여, 팽창, 압축, 전단, 크리프(creep), 유리전이(Tg) 등의 열기계적 특성을 분석하는 데 사용된다.
1) 탐침(Probe) 접촉
시료 위에 탐침(probe)을 올려놓고 가벼운 힘을 가함
시료의 형태에 따라 다양한 형태의 탐침 사용 (확장, 침투, 압축, 휨, 인장 등)
2) 온도 변화 적용
장비 내부의 전기로(furnace)를 이용해 시료의 온도를 조절
온도 변화(°C/s)를 일정하게 유지하면서 변형을 실시간 측정
3) 기계적 변형 측정
시료가 온도 변화에 따라 팽창하거나 변형되면, 탐침의 변위(ΔL)를 측정
변형량을 나노미터(nm) 단위로 정밀하게 기록
4) 하중 적용 가능
설정된 힘(force)을 가해 크리프(Creep), 연화점(Softening Point), 유리전이온도(Tg) 등을 측정 가능
5) 데이터 분석
수집된 변위(ΔL)와 온도 변화(ΔT)를 통해 CTE, Tg, 크리프율, 변형률 등을 계산
- TMA는 온도 변화 + 기계적 하중을 이용한 변형 분석에 초점 (유리전이온도(Tg), 크리프, 연화점 등 포함)
- DIL은 온도 변화에 따른 선형 팽창(CTE)만 정밀하게 측정하는 장비
- CTE만 필요하면 DIL, 기계적 변형까지 포함해서 분석하려면 TMA 사용
*금속 및 세라믹 측정 시 정확도가 높은 장비: TMA vs. DIL 비교
금속과 세라믹 같은 고강도, 고온 재료를 측정할 때는 DIL(Dilatometer)가 더 높은 정확도를 제공
* DIL(Dilatometer)의 정확도가 더 높은 이유
1. 측정 방식의 차이
- DIL은 온도 변화에 따른 순수한 길이 변화(선형 팽창)만 측정
→ 측정 과정에서 외부 하중(힘)이 거의 적용되지 않으므로, 재료의 본래 열팽창 특성을 그대로 반영 가능
- TMA는 하중(Force)을 가하면서 측정하기 때문에 변형량에 영향을 줄 가능성이 있음→ 특히 세라믹 및 금속의 측정 시 하중에 의한 변형이 발생하면 실제 열팽창이 아닌 기계적 변형이 포함될 수 있음
2. 측정 정밀도(Resolution) 차이
장비정밀도 (nm)설명
| DIL (Dilatometer) | 0.1 ~ 1 nm 수준 | 길이 변화(팽창, 수축)만 측정 → 나노미터(nm) 수준의 정밀 측정 가능 |
| TMA (Thermomechanical Analyzer) | 10 ~ 50 nm 수준 | 하중을 가하는 방식이라 측정 오차가 더 큼 |
→ DIL은 LVDT(Liner Variable Differential Transformer) 센서를 사용하여 나노미터(nm) 단위의 정밀한 선형 팽창 측정 가능
→ TMA는 기계적 하중을 가하기 때문에 오차가 발생할 가능성이 있음
3. 온도 범위
장비온도 범위
| DIL (Dilatometer) | -180°C ~ 2000°C |
| TMA (Thermomechanical Analyzer) | -150°C ~ 1000°C |
→ DIL은 최대 2000°C까지 측정 가능하여 고온 세라믹, 금속 재료의 측정에 적합
→ TMA는 일반적으로 1000°C 이하에서 측정되므로, 고온에서의 팽창 분석이 어려울 수 있음
4. 측정 시 하중(Force) 영향
- DIL: 하중이 거의 없거나 매우 미세한 힘만 작용
- TMA: 특정 하중을 설정해야 하며, 측정 시 하중이 팽창 결과에 영향을 줄 수 있음
→ 금속, 세라믹은 높은 강도를 가지므로 하중에 의한 변형이 발생할 가능성이 있음
→ DIL은 순수한 열팽창 특성을 분석하는 데 유리함
| 열팽창 계수(CTE) 측정 | DIL |
| 유리전이온도(Tg), 연화점 분석 | TMA |
| 세라믹 코팅층의 기계적 변형 측정 | TMA |
| 박막 세라믹, 다공성 금속의 압축 변형 분석 | TMA |
→ 즉, 일반적인 열팽창 측정은 DIL이 정밀하지만, 특정한 기계적 응력까지 분석하려면 TMA를 사용할 수 있음