THERMAL CONDUCTIVITY, 열전도도 정의 및 측정 방법

'고체 상태 물체 내의 분자가 그 기본 위치를 바꾸지 않으면서 열에너지를 전달하는 것'을 전도 (Conduction) 라고 하는데요, 이러한 전도는 다음 식과 같은 퓨리에 (Fourier) 의 전도 법칙을 따릅니다.

$$\dfrac{\Delta Q}{\Delta t} = q = -k A \dfrac{\Delta T}{\Delta x}$$

여기서, $q$는 열류율을, $k$는 thermal conductivity 즉, 열전도도를 의미합니다.

건물의 단열 설계, 열교환기 설계, 기계 장비의 설계 등에서 thermal conductivity는 물질의 전도현상을 설명하는 기본적인 물성치이기 때문에 매우 중요하게 다루어집니다. 이번에는 thermal conductivity의 정의 및 측정 방법 등에 대해 다루었습니다.

thermal conductivity 정의

thermal conductivity, 열전도도는 어떠한 고체 균일 재료에 대해 양측의 특정 온도차에 대한 특정 단면적으로 흐른 열량 즉, 단위 두께에 대한 열전달률을 의미합니다. SI 단위에서는 일반적으로 두께 1m의 균일 재료에 대해 양측의 온도차가 1℃일 때 1㎡의 표면적을 통해 흐른 열량을 말하며, 이 때 단위는 W/m˙℃입니다. thermal conductivity는 SI 이외의 단위에서는 kcal/m˙hr˙℃과 같은 단위로 표현되기도 합니다.

thermal conductivity 측정

어떠한 물질의 thermal conductivity 측정을 정확하기 하기 위해서는 실험실 실험을 진행해야만 합니다. thermal conductivity 측정을 위한 실험 방법은 ISO 8301, ISO 8302, ASTM C117, ASTM C518, KS L 9016과 같은 국내외 표준에서 가이드하고 있습니다. 공식적으로 특정한 자재의 thermal conductivity 물성치를 제시하기 위해서는 이러한 표준에서 제시하고 있는 방법대로 측정하여야만 그 제시한 측정 결과가 인정됩니다.

thermal conductivity 측정을 위한 방법은 크게 평판직접법 (보호열판법) 과 평판비교법 (열류계법) 으로 나눌 수 있습니다.

평판직접법 (보호열판법, Guarded hot plate apparatus)

보호열판법은 ISO 8302, ASTM C177, KS L 9016과 같은 표준에서 실험 방법을 가이드하고 있으며, 온도와 전력을 직접적으로 측정하여 재료의 thermal conductivity를 산정하는, 열전달 특성의 절대 또는 일차적인 방법을 이용하는 실험 방법입니다.

보호열판법을 통해 자재의 thermal conductivity 를 실험할 경우에는 측정 자재 양측의 온도차를 10℃ 이상으로 하고, 정상상태에 도달한 경우의 시험체의 양측 온도와 주열판에 대한 공급 전력을 측정하여 thermal conductivity 를 산정합니다. 보호열판법을 통해 실험을 할 경우에 시험편의 크기는 가열판 표면을 완전히 덮을 수 있는 크기여야만 합니다.

평판비교법 (열류계법, Heat flow meter apparatus)

평판비교법은 ISO 8301, ASTM C518, KS L 9016과 같은 표준에서 실험 방법을 가이드하고 있으며, 시험체를 통과하는 열류량을 열류계를 사용하여 직접 측정하고, 그때의 시험체 양측 온도차를 측정하여 시편의 thermal conductivity 를 구하는 방법으로서, 이차적 또는 상대적인 실험 방법입니다.

평판비교법을 통해 자재의 thermal conductivity를 실험하여 그 값을 산출하는 경우에는 보호열판법으로 하는 경우와 마찬가지로 자재 양측의 온도차를 10℃ 이상으로 하여야 합니다. 하지만 이 때 시험체 양 표면 온도가 똑같은 방향에 대해 변화가 없게 된 후부터 시험체 온도차에 대하여 30분당 1% 이상 변화하지 않는 동시에, 열류계의 30분당 출력이 2% 이상 변화하지 않는 상태를 정상상태로 하여, 정상상태에 도달한 이후의 값을 측정하여 시편의 thermal conductivity 를 산정하여야 합니다.