학문
세라믹의 열전도율은 무엇에 의해 달라지나요?
같은 세라믹 계열의 재료라도 열이 전달되는 정도에 차이가 나타날 수 있는데, 이러한 열전도 특성은 재료의 조성이나 내부 구조와 어떤 관계를 가지고 온도 변화에 따라 어떻게 달라지는지 의견 부탁드립니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
세라믹의 열전도율은 주로 결정격자의 진동인 포논이 열을 얼마나 방해받지 않고 이동할 수 있느냐가 결정합니다.
보통 원자 결합이 강하고 결정구조가 규칙적인 재료일수록 포논이 잘 이동해 열전도율이 높아지는 경향이 있는데, 반대로 재료 내에 기공이나 불순물, 결함, 결정립계 같은 것들이 많을 경우 포논이 산란되기 때문에 열의 이동이 방해 받아 열전도율이 낮아집니다.
그래서 같은 조성의 세라믹이라도 치밀도나 결정립 크기, 소결 조건에 따라서 열전도 특성이 크게 달라질 수 있는 것입니다. 또 여러 상이 섞인 복합 세라믹에서는 각 상의 열정도율과 계면 상태가 전체 열전도율에 영향을 주게 됩니다.
많은 결정질 세라믹은 온도가 올라가면 포논끼리의 충돌이 증가해 열전도율이 낮아지는 경향을 보이지만 재료에 따라 예외적인 것들도 있습니다. 결국 세라믹의 열전도율은 화학조성도 중요하지만 결함과 기공, 결정립계, 계면 같은 미세구조를 얼마나 잘 제어할 수 있는냐가 매우 중요한 요소입니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
세라믹은 원자의 진동으로 열을 전달해요. 금속은 자유전자가 열을 실어 나르지만 세라믹은 전자가 묶여 있어서, 원자들이 흔들리는 진동이 이웃으로 퍼지며 열이 이동해요. 이 진동이 얼마나 방해받지 않고 멀리 가느냐가 열전도율을 정하는 거예요.
조성과 구조의 영향이 커요. 가벼운 원자들이 강하게 결합하고 배열이 단순할수록 진동이 잘 전달돼서 알루미늄 질화물이나 탄화규소는 열전도가 좋아요. 반대로 크기가 다른 원자가 섞이거나 결함이 많으면 진동이 산란돼서, 지르코니아 같은 재료는 단열재로 쓰여요. 결정 알갱이가 작아 경계가 많거나 기공이 많아도 열이 지나갈 길이 끊겨서 전도율이 뚝 떨어지고요.
온도가 올라가면 결정질 세라믹은 대체로 열전도율이 낮아져요. 진동이 격해질수록 진동끼리 부딪히는 산란이 늘어나거든요. 아주 고온에서는 복사 전달 몫이 커져 다시 오르기도 해요. 그래서 조성과 구조를 어떻게 설계하느냐에 따라 같은 세라믹 계열에서 방열 기판도 나오고 단열 타일도 나오는 거예요 :)
세라믹 열전도율은 재료의 조성뿐 아니라 결정구조와 기공과 불순물까지 크게 영향을 받습니다.
세라믹에서는 주로 격자의 진동인 포논이 열을 전달합니다, 그렇기 때문에 결정구조가 잘 정리되어 있으면 열이 비교적 잘 이동하게 되고 반대로 내부에 기공이나 결정립계와 불순물 같은 것이 많다면 포논의 이동이 방해받기 때문에 열전도율이 낮아집니다.
그래서 알루미나처럼 비교적 열을 잘 전달하는 세라믹도 있고 지르코니아처럼 열전도율이 낮아 단열재로 활용되는 세라믹도 있죠.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
세라믹의 열전도율은 화학적 조성 결정구조 결정립 크기와 기공의양 등에 따라 달라집니다 일반적으로 결정이 잘 정렬되고 기공이 적을수록 열전도율이 높지만 불순물이나 결함이 많으면 열이 전달이 방해되어 낮아집니다 또한 세라믹은 주로 원자들의 진동을 통해 열ㅇ르 전달하므로 온도가 변하면 포논의 산란 정도가 달라져 열저도율도 변할 수 있습니다 특히 많은 세라믹은 온도가 높아질수록 포논 간 사란이 증가해 열저도율이 감소하는 경향이 있습니다