기체 비중계 (Gas Pycnometer)
한 줄 정의: 헬륨 같은 기체를 시료실에 채우고 압력 변화를 측정해 고체 시료의 진부피와 진밀도를 구하는 장비입니다.
쉽게 풀면
가루나 다공성 물질은 겉부피 안에 빈 공간이 많아 실제 고체 부피를 재기 어렵습니다. 기체 비중계는 아주 작은 헬륨 분자가 작은 구멍까지 들어가는 성질을 이용합니다. 시료가 차지한 만큼 기체가 들어갈 공간이 줄어드는 것을 압력으로 계산해 고체만의 부피를 구합니다.
왜 중요한가
분말 원료, 세라믹, 약제 부형제, 배터리 전극 소재의 진밀도를 빠르고 비파괴적으로 측정할 수 있습니다. 진밀도와 겉보기 밀도를 비교하면 기공률도 계산할 수 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"분말의 진밀도는 헬륨 기체 비중계로 측정하였으며, 10회 반복 측정의 평균값을 사용하였다."
측정 기체와 반복 횟수를 밝힌 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
부피를 아는 시료실과 기준실 사이에서 기체를 팽창시키고, 보일의 법칙을 이용해 전후 압력으로 시료 부피를 계산합니다. 헬륨은 분자가 작고 흡착이 적으며 이상기체에 가까워 가장 흔히 씁니다. 다만 기체가 들어가지 못하는 닫힌 기공은 고체 부피에 포함되어 결과는 골격 밀도에 가깝게 나옵니다. 시료에 수분이나 휘발 성분이 있으면 압력이 흔들리므로 건조와 퍼지가 필요합니다.
주의할 점
비중병은 액체를 채워 무게를 달아 부피를 구하는 방식이고, 기체 비중계는 기체 치환과 압력 변화를 이용합니다. 닫힌 기공이 많은 시료는 진밀도가 실제보다 낮게 측정될 수 있습니다.