[논문]NaCl 전해질 농도 변화에 따른 다공질 탄소전극의 전기적 특성

김용혁

doi:10.4313/jkem.2010.23.10.814

NaCl 전해질 농도 변화에 따른 다공질 탄소전극의 전기적 특성
Electrical Characteristics of Porous Carbon Electrode According to NaCl Electrolyte Concentration 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.10, 2010년, pp.814 - 819

김용혁 (경원대학교 전기공학과)

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Porous carbon electrodes with wooden materials are manufactured by molding carbonized wood powder. Electrical properties of the interface for electrolyte and porous carbon electrode are investigated from viewpoint of NaCl electrolyte concentration, capacitance and complex impedance. Density of porous carbon materials is 0.47~0.61 g/$cm^3$. NaCl electrolytic absorptance of the porous carbon materials is 5~30%. As the electrolyte concentration increased, capacitance is increased and electric resistance is decrease with electric double layer effect of the interface. The electric current of the porous carbon electrode compared in the copper and the high density carbon electrode was improved on a large scale, due to a increase in surface area. The circuit current increased as the distance between of the porous carbon electrode and the zinc electrode decreased, due to increase in electric field. Experimental results indicated that the current properties of galvanic cell could be improved by using porous carbon electrode.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 NaCl 전해질을 사용하는 갈바니전지의 전극 반응성에 따른 전류특성을 개선하기 위하여 넓은 표면적을 갖는 다공성 탄소재료를 제조하여 NaCl 전해질의 농도변화에 따른 전압 및 전류의 특성을 조사하였다. 이를 위하여 탄소전극의 전해질 흡착에 따른 정전용량변화와 복소임피던스의 변화를 NaCl 농도변화에 따라 측정하였다.
다공성 단소체는 흡수한 전해질로 인하여 전극 내부에 전기이중층을 형성하게 되는데 전극과 전해질의 접촉 계면에 생성된 전기이중층은 전하를 축적하기 때문에 커패시터로 작용하게 된다 [9,10]. 따라서 전기이중층에 생성된 정전용량의 주파수 변화를 조사함으로 다공성 탄소전극이 전류특성에 미치는 영향을 파악할 수 있다.
본 실험에서는 목질계 다공성 탄소전극과 전해질 계면에 대한 전기적 변화를 전해질 농도와 주파수변 화에 의한 정전용량과 복소임피던스 분석을 통하여 전류변화에 영향을 미치는 요소를 검토하였으며 전극 종류에 따른 전류변화와 전극간 거리에 대한 전류특성을 고찰하였다. 목질의 탄화과정을 거쳐서 제조한 탄소체의 밀도는 0.

제안 방법

61 g/cm³이었으며 NaCl 전해질 농도 2∼8 Wt%에서 5∼30%의 전해질 흡수율을 나타내었다. 다공성 탄소전극 내부의 전해질 농도가 증가할수록 정전용량의 증가와 전기저항이 감소하는 특성을 나타낸 것은 다공성 탄소전극과 전해질 계면에 형성된 전기이중층 효과가 크게 나타난 현상으로서 고밀도 탄소전극과 금속구리와의 전류특성 비교를 통해서 확인하였다. 또한 회로전류는 다공성 탄소 전극과 아연전극 간 거리가 길어질수록 감소되었다.
시편의 밀도는 완전 건조상태의 시편에 대해서 부피/질량과의 관계로 구하였다. 다공성 탄소전극의 전기적 특성을 조사하기 위하여 측정용 Cu판을 다공성 탄소전극 양 면에 부착하였다. 다공성 탄소체의 정전 용량과 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (미국 HP사, HP4192A)를 사용하여 20 Hz∼10 MHz에서 측정하였다.
다공성 탄소체의 정전 용량과 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (미국 HP사, HP4192A)를 사용하여 20 Hz∼10 MHz에서 측정하였다.
다공성 탄소체의 정전 용량과 복소임피던스 측정은 LF Impedance Analyzer (미국 HP사, HP4192A)를 사용하여 20 Hz∼10 MHz에서 측정하였다. 단락전류와 개방전압은 Digital 전류계 (한국 ED사, DA-101B)와 Digital 전압계 (한국 ED사, DA-101A)를 사용하여 회로연결 1분 후의 측정값으로 구하였다. 전해질 농도는 Digital Salt Meter (한국, 지원하이텍, GMK550)로 측정하였다.
1차 탄화된 탄소체를 60 mesh 크기로 분쇄 선별한 후 PVA (polyvinyl alcohol) 바인더를 3∼6 Wt% 첨가해서 균일하게 혼합하여 15 kgf/cm²의 압력을 가하여 사각판의 형태로 성형하였다. 성형 시편을 1500℃온도에서 2시간 가열 처리하여 목질의 다공성 탄소체를 제조하였다. 탄화된 다공성 탄소체를 7.
시편의 밀도는 완전 건조상태의 시편에 대해서 부피/질량과의 관계로 구하였다. 다공성 탄소전극의 전기적 특성을 조사하기 위하여 측정용 Cu판을 다공성 탄소전극 양 면에 부착하였다.
따라서 본 연구에서는 NaCl 전해질을 사용하는 갈바니전지의 전극 반응성에 따른 전류특성을 개선하기 위하여 넓은 표면적을 갖는 다공성 탄소재료를 제조하여 NaCl 전해질의 농도변화에 따른 전압 및 전류의 특성을 조사하였다. 이를 위하여 탄소전극의 전해질 흡착에 따른 정전용량변화와 복소임피던스의 변화를 NaCl 농도변화에 따라 측정하였다.
단락전류와 개방전압은 Digital 전류계 (한국 ED사, DA-101B)와 Digital 전압계 (한국 ED사, DA-101A)를 사용하여 회로연결 1분 후의 측정값으로 구하였다. 전해질 농도는 Digital Salt Meter (한국, 지원하이텍, GMK550)로 측정하였다.

대상 데이터

실험용 전지는 10 cm(W)×10 cm(D)×8 cm(H) 크기의 아크릴 재질을 사용하였으며 전극 간 거리변화를 위하여 전극이동 장치를 부착하였다. Zn전극은 순도 99.99%의 Zn판을 사용하였고 Zn금속 입자의 탄소전극 유입을 방지하기 위하여 고분자 분리막을 부착하였다. 전해질로는 농도 2∼8%의 NaCl 수용액을 사용하였다.
본 실험에서는 목질재료의 탄소체를 사용하였다. 실내에서 충분하게 건조시킨 참나무를 70∼80℃ 건조로에서 완전 건조시킨 후 700℃ 전기로에서 20시간 가열하여 1차 탄화과정을 거쳤다.
실험용 전지는 10 cm(W)×10 cm(D)×8 cm(H) 크기의 아크릴 재질을 사용하였으며 전극 간 거리변화를 위하여 전극이동 장치를 부착하였다.
전해질로는 농도 2∼8%의 NaCl 수용액을 사용하였다.

성능/효과

이를 검토하기 위하여 다공성 탄소전극의 전류변화를 다공성이 거의 없는 고밀도 탄소전극과 금속구리전극에 대한 전류변화를 그림 8에 나타내었다. NaCl 전해질 용액의 농도 증가에 따라서 전류는 전반적으로 증가하는 경향을 나타내었으며 전해질 농도 6 Wt%부 터는 변화의 기울기가 감소하는 특성을 나타내었다. 이와 같은 특성은 전류가 전해질 농도에 의존되는 일반적인 이온전도 현상에 의한 것으로 볼 수 있으며 다공성이 존재하지 않은 고밀도 탄소전극이나 금속의 구리전극과 비교할 때 다공성 탄소전극의 전류특성이 크게 개선된 것은 다공성의 비표면적 증가로 전해질과의 접촉 면적이 증가됨으로서 전극표면에 흡착되는 이온의 증가에 따른 계면저항의 감소현상에 의한 것으로 볼 수 있다.
다공성 탄소체 내의 전해질의 흡수율은 그림 4와 같이 시편 밀도가 작은 시편에서 크게 나타났고 전해질의 농도가 증가될수록 흡수율이 크게 감소되는 현상을 나타내었다. 밀도가 작은 시편의 경우 밀도가 큰 시편에 비해서 기공율이나 기공의 크기가 증가되기 때문에 다공체 내로의 전해질 흡수가 보다 용이했기 때문으로 생각된다.
전극간 거리가 길어질수록 단락전류가 감소하는 특성을 나타내었다. 두 전극을 매우 가깝게 접근시켰을 때의 전류는 70 mA 정도로 매우 크게 증가하였으며 전극간 거리 6 cm정도에서는 45 mA로 크게 낮아졌다. 이와 같은 현상은 양 전극 간에 생성된 전위차에 의한 전계효과에 기인된 것으로 볼 수 있다.
또한 다공성 탄소전극 내의 전해질 농도가 증가할수록 저항특성을 나타내는 실수 (Z')의 감소변화가 뚜렷하게 나타났다.
다공성 탄소전극 내부의 전해질 농도가 증가할수록 정전용량의 증가와 전기저항이 감소하는 특성을 나타낸 것은 다공성 탄소전극과 전해질 계면에 형성된 전기이중층 효과가 크게 나타난 현상으로서 고밀도 탄소전극과 금속구리와의 전류특성 비교를 통해서 확인하였다. 또한 회로전류는 다공성 탄소 전극과 아연전극 간 거리가 길어질수록 감소되었다. 이와 같은 결과로서, 갈바니 전지와 같이 전해질의 화학반응을 이용하는 전기화학전지의 경우 다공성 탄소전극이 전류특성을 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였으며 이와 더불어 전해질 농도와 전극간 거리 등 구조적 형태에 대한 영향도 고려해야 될 것으로 생각된다.
전해질 농도가 증가할수록 위상이 증가되는 특성을 나타내었고 저주파수에서 위상이 거의 0°에 가까웠으나 고주파수에서는 위상이 90° 가까이로 접근하였다.

후속연구

또한 회로전류는 다공성 탄소 전극과 아연전극 간 거리가 길어질수록 감소되었다. 이와 같은 결과로서, 갈바니 전지와 같이 전해질의 화학반응을 이용하는 전기화학전지의 경우 다공성 탄소전극이 전류특성을 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였으며 이와 더불어 전해질 농도와 전극간 거리 등 구조적 형태에 대한 영향도 고려해야 될 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갈바니 전지의 기전력은 무엇에서 기인되는가?	아연/탄소로 구성된 갈바니 전지의 기전력은 두 금속과 접촉되어 있는 전해질과의 전기화학반응에 기인된다. 금속의 전극반응은 전해질과의 이온화 작용에 따른 표준전극전위로서 비교적 간단하게 결정되지만 탄소전극의 화학반응은 전해질의 종류와 성질에 따라서 다양하게 일어나므로 이들의 반응성에 따라서 전지의 기전력이나 전류특성에 많은 영향을 미치게 된다.
	전지의 효율성 향상 면에서 전지 내부에서 화학반응에 의해서 생성되는 전자나 전해질 내의 이온이동에 대한 탐색을 근원적으로 검토해야하는 이유는?	일반적으로 전기화학전지는 외부회로에 기전력을 공급하는 기능을 갖기 때문에 가능한 한 큰 전류가 안정되게 흐르지 않으면 안 된다. 그러므로 전지 내부에서 화학반응에 의해서 생성되는 전자나 전해질 내의 이온이동에 대한 탐색은 전지의 효율성 향상 면에서 근원적으로 검토해야할 부분이다.
	망간전지나 알카리 망간전지 같은 1차 전지에서 탄소재료의 기능은?	망간전지나 알카리 망간전지와 같은 1차전지에 있어서 탄소재료는 집전용의 전극으로서의 기능뿐만이 아니라 전지의 내부저항을 줄일 수 있기 때문에 전지 내부손실에 의한 기전력 감소를 최소화할 수 있으며 전해질과의 안정된 화학작용과 이온이동을 원활하게 하는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (14)

J. A. Leel, Sensor. Actuat. B-Chem. B129, 372 (2008).
Y. Tzeng, Y. Chen, and C. Liu, Diam. Relat. Mat. 12, 774 (2003).

상세보기
J. Hone, M. C. Llaguno, and N. M. Nemes, Appl. Phys. Lett. 77, 666 (2000).

상세보기
J. S. Kim and Y. T. Park, J. KIEEME 12, 606 (1999).
K. Sheem, Y. H. Lee, and H. S. Lim, J. Power Sources 158, 1425 (2006).

상세보기
W. S. Choi and B. U. Hong, J. KIEEME 19, 1010 (2006).

원문보기 상세보기
A. J. Bard and R. F. Faulkner, Electrochemical methods, 2nd ed. (John Wiley, NY, 2000) p. 160.
R. Parsons, Chem Rev. 90, 813 (1990).

상세보기
W. M. Saslow, Am. J. Phys. 67, 574 (1999).

상세보기
A. Hassibi, R. Navid, R. W. Dutton, and T. H. Lee, J. Appl. Phys. 96, 1074 (2004).

상세보기
B. E. Conway, Electrochemical supercapacitors: scientific fundamentals and technological applications (Kluwer Academic Publishers, NY, 1999) p. 45.
C. M. A. Brett and A. M. O. Brett, Electrochemistry: principles, methods, and applications (Oxford Univ Press, Oxford, 1993) p. 380.
A. A. Rahman, S. Bhat, and S. Bhansali, J. Electrochemi. Soci. 155, 355 (2008).
S. Chen and R. W. Murray, J. Phys. Chem. 103B, 9996 (1999).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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