열팽창계수(CTE)란?

 

---

기체와 액체의 열팽창 계수: 열팽창 계수는 단위 부피당의 온도에 따른 부피의 팽창률로 정의한다.

---

 

물질마다 그리고 제품마다 고유의 열팽창 계수를 갖고 있다. 이유는 물질을 이루는 입자들이 열을 받음으로 인해 운동에너지가 커져 입자 운동이 활발해지기 때문이다. 특히 금속은 입자들이 규칙적으로 배열되어있어서 열과 팽창률이 비례하는 경향을 보인다.

신기한 점은 액체도 열에 따라 팽창한다는 것이다. 액체는 고체와는 달리 일정한 모양이 없기 때문에 체적팽창을 이야기한다. 액체의 팽창 계수는 고체의 경우와 동일하게 정의된다. 즉, 액체의 온도를 1K만큼 높였을 때에 체적이 팽창하는 비율이 그 액체의 팽창 계수이다. 액체의 체적 팽창 계수를 자세히 조사해 보면 온도에 따라서 조금씩 다른 값을 갖고 있다. 보통은 20℃의 값을 나타낸다. 또한, 알코올 온도계나 수은 온도계는 이들 액체의 규칙적인 체적 팽창을 이용한 것이다.

알코올 온도계(좌)와 수은 온도계(우)

하지만 물은 특별해서 0℃에서 4℃까지는 온도를 올리면 오히려 부피가 작아지는 성질이 있다. 그러나 4℃ 이상은 보통의 액체와 같이 온도의 상승과 함께 체적도 증가한다. 체적이 변해도 질량에는 변화가 없으므로 물은 4℃일 때 밀도가 가장 크다.

열팽창 계수(CTE) 측정 방법

측정 방법은 여러가지가 있다. 100~200도에서 측정하기도 하고 200~400도에서 측정하기도 하며, 심지어 영하의 온도에서 상온까지의 열팽창의 정도를 측정하기도 한다. 

금속이나 고분자뿐만 아니라 각종 원료들은 열을 가하면 변형되는 특징이 있다. 얼마나 많이 변형되는지에 따라 품질을 매기기도 한다. 

TMA(Thermal Mechanical Analysis)

Thermo Mechanical Analyzer(TMA)는 재료특성 분야에서 기계적 물성을 측정하기 위하여 일반적으로 사용되는 분석방법이다. TMA를 이용하여 온도에 따른 샘플의 길이 변화를 측정할 수 있다.

TMA의 구조

여러 성분들로 이루어진 샘플이거나 비등방성 샘플인 경우, 측정하는 방향에 따라 열팽창 값이 다르게 나타날 수 있다. 예를 들어 탄소섬유와 에폭시수지, 배향섬유, 필름의 경우 x, y, z축의 열팽창 정도가 확연히 다르다.

결정구조가 한쪽 방향으로 향하는 이방성 샘플의 CTE를 측정할 때는 방향을 잘 고려해야 한다.

Dilatometer

온도의 변화에 따라, 또는 조직의 변화에 따라, 어느 금속 내에서 생기는 팽창 수축을 측정하는 장치.

TMA와 비슷하지만 방향의 차이가 있다.