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일반적으로 식의 열전도율은 반대편 두 면 사이에 정확히 1K의 온도 구배가 있을 때 1초 이내에 1x1x1m의 정육면체를 통과하는 열의 양입니다.
따라서 열전도율은 자체 기호(λ – “람다”)와 자체 SI 단위 W/mK가 있는 특징적인 재료 특성입니다. 그 역수 값은 비열 저항입니다.
과학적 정의
열전도율에 대한 과학적 정의는 시료 내의 열 수송을 설명하는 물질적 특성이라고 주장합니다. 각 시료 온도에 대해 이 온도에서 밀도, 열 확산도 및 비열 용량의 곱으로 구할 수 있으며(방정식 1), 열유속 밀도와 온도 구배의 음의 몫으로 설명할 수 있습니다(방정식 2). (방정식 3)의 예가 이를 설명하는 예시입니다.
λ = ρ * cp * α (1)
λ = 열전도율, ρ = 밀도, cp = 비열 용량, α = 열 확산도
λ = -q / ∆T (2)
λ = 열전도율, q = 평균 열유속 밀도, ∆T = 온도 구배
이 정의를 사용하여 예를 들어 원통형 샘플을 고려하면 다음과 같은 계산을 수행할 수 있습니다: 측면이 절연되어 있고 양쪽 끝에서 단 한 번의 온도 변화만 있을 수 있는 길이 l과 일정한 단면 A의 이상적인 균질 원통을 고려하면 길이에 따른 온도 구배는 (∆T) / l입니다. 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 향하는 열 흐름의 밀도는 λ * (∆T) / l입니다.
단면 A를 고려하면 다음과 같습니다. 열 흐름 Q를 사용하여 계산할 수 있습니다(방정식 3):
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = 열전도율, Q = 열 흐름, ∆T = 온도 구배, A = 단면적, l = 길이
열전도도 측정(방법):
열전도도를 측정하는 방법은 다양하지만, 더 나은 개요를 위해 과도 측정 방법과 고정 측정 방법의 두 가지 기본 그룹으로 분류할 수 있습니다.
동영상에서 두 과학자가 이 두 가지 방법의 차이점을 설명합니다.
고정식 측정 방법
플레이트 공정과 같은 “가드 핫 플레이트“, “열 흐름 측정r“, 또는 “열 인터페이스 재료 테스터“는 고정식 측정 방법에 속합니다.
재료 샘플을 가열된 플레이트와 냉각된 플레이트 사이에 놓습니다. 이렇게 하면 온도 구배가 발생하고 결과적으로 시료를 따라 열 흐름이 발생하며, 이는 일정한 최종 값에 가까워질 때까지 모니터링됩니다.
시료 두께와 측정된 열 흐름을 알면 시료의 열전도도를 계산할 수 있습니다. TIM 테스터를 사용하면 가변 부하 또는 압축 상태에서 열 저항을 측정하고 이를 통해 열 전도도 및 열 접촉 저항을 측정할 수 있습니다.
과도 측정 방법
과도 공정의 잘 알려진 예로는 1975년부터 사용되어 오늘날에도 전 세계적으로 사용되고 있는 고전적인 레이저 플래시 공정이 있습니다. 그 이유는 높은 비용과 기술적 복잡성에도 불구하고 최대 2,800°C의 극한 조건에서도 매우 정밀한 결과를 얻을 수 있기 때문입니다. 샘플 디스크는 짧은 고에너지 레이저 또는 플래시로 한쪽 면을 가열합니다. 그러면 적외선 감지기가 반대쪽의 온도 상승을 측정합니다. 시료 두께와 함께 열전도도 모델을 사용하여 열 확산도를 계산할 수 있습니다.
열선 및 가열 스트립 방식 (예: 과도 핫 브리지 방식)도 과도 기술에 속합니다. 유연하고 다양한 센서 구성에 사용할 수 있으므로 넓은 측정 범위를 커버할 수 있습니다. 기판에 내장된 열선은 지속적으로 열을 방출합니다. 그 결과 시료와 센서의 시간에 따른 온도 분포는 통합 온도계로 기록되며, 이는 재료의 열전달 특성을 직접적으로 나타내는 지표가 됩니다.
특수 기능: 얇은 층의 열전도도 측정
특별한 경우는 나노미터에서 마이크로미터 범위의 얇은 층에서 열전도도를 측정하는 경우입니다. 이러한 측정은 부분적으로 고체 시료와 동일한 기본 원리를 기반으로 하지만 실제 구현은 크게 다릅니다. 예를 들어, 고전적인 레이저 플래시 방법 대신 시간 영역 열반사율(TDTR) 이 사용되는 반면, 3-오메가 방법은 가열 스트립 방법의 특수한 형태입니다. 이러한 적응은 초박막 층의 특수한 경계 조건을 안정적으로 캡처하기 위해 필요합니다.
