EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법), EIS 그래프 해석, 저항과 리액턴스란? EIS 측정방법

 

 

 

 'EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법)'이란?

 

✅ 교류 전압(AC)을 인가해 나오는 저항을 알 수 있는 방법이다. *저항의 정도

✅ 시료에 주파수로 교류 전압을 인가하면(Sine wave) 나오는 결과물을 nyquis plot으로 해석한다.

✅ 정전류, 정전압보다 더 다양한 분석이 가능하다. 즉, 임피던스 측정을 통해 산화, 환원 반응이 일어날 때 전기 전달을 방해하는 저항의 정도에 대한 분석이 가능하다.

✔ 시간에 따라 AC 전압을 인가하면, 임피던스_real(실수), 임피던스_image(허수) 성분이 그려지고, 실수와 허수를 나뉘어 그리면 'nyquist plot'이다. 이것을 해석하는 행위를 'EIS 분석법(임피던스 분광법)'이라고 한다.

 

 

 

 '임피던스(Impedance)'는 무엇을 의미할까? Impedance mean

 

✅ 'EIS'는 저항의 정도를 분석한다고 하였다. 

✅ 저항(R)=V(전압)/I(전류)이다. 하지만 교류 전압에서는 저항과 비슷한 의미인 '리액턴스'가 존재한다.

✅ 다시 말하면 전류가 한 방향으로 일정하게 흐를 때는 우리가 흔히 알고 있는 '전기 저항'만이 존재한다. 하지만 교류 전압이 흐를 때는 저항 외에도 '리액턴스'가 존재하게 된다.

 

 

 

 '리액턴스'는 '유도성 리액턴스(XL)'와 '용량성 리액턴스(XC)'가 존재한다. 

 

- '유도성 리액턴스'는 전류의 급격한 변화를 막기 위한 '인덕터'에 작용되는 저항이며,

 

- '용량성 리액턴스'는 커패시터에 교류(AC)가 흐르는 것에 대한 특성을 나타낸다. 커패시터는 교류만을 통과시키려고 하며 직류는 차단하는데, 이는 교류 전류가 높아질수록 용량성 리액턴스가 낮아짐을 의미한다.

 

✔ 용량성 리액턴스와 커패시터에 대한 추가 설명을 하자면, 커패시터에서 직류가 흐를 때는 전하가 축적되기만 한다.

 

✔ 그리고 전하량이 최대로 축적되면(커패시턴스) 전위차가 없어져 전류가 흐르지 않는다. 과도하게 주면 고장난다. 하지만 교류의 경우는 극성이 계속 바뀌기 때문에 전하가 축적되지 않고 전류가 흐르게 된다.

 

 

 

 즉, 교류(AC) 전압을 가할 때, 저항과 리액턴스가 발생하는데 저항과 리액턴스의 합을 '임피던스'라고 한다. 임피던스의 기호는 'Z'이며, 단위는 '옴(Ω)'을 사용한다.

 

✅ 수식으로는 하단과 같이 피타고라스의 정리로 나타낼 수 있다. R=저항, X(리액턴스)='유도성 리액턴스 - 용량성 리액턴스'이며, 각각 제곱을 한 뒤 더하여 루트를 씌우면 '임피던스(Z)'가 된다. 또한, '저항'을 '실수부', '리액턴스'를 '허수부'라고 부르기도 한다.

 

- 이때 EIS 측정 전 OCP(Open Circuit Potential : 개방회로전위)를 측정을 먼저 해야 한다.

 

✔ 측정하려는 샘플에 따라 다르겠지만, 전압을 가하지 않아도 0이 아닌 특정한 전위를 가지는 경우가 있다.

✔ 예를 들어 A라는 샘플의 OCP가 0.5V라고 가정한다면, A에 대해 EIS를 찍을 때 정확한 결과를 나타내지 않는다. 이 때문에 0.5V를 0으로 잡은 뒤, EIS를 측정하기 위해 OCP를 먼저 측정해야 한다. 즉, 영점을 잡아주기 위함인 것이다.

 

 

 

 

 'Nyquis plot', 그리고 임피던스를 통해 알 수 있는 것

 

✅ EIS를 찍으면 보통 아래 그래프를 볼 수 있다. 이를 'nyquis plot'이라고 하며, X축은 '저항(실수부)', Y축은 '리액턴스(허수부)'이다.

✅ 주파수가 낮으면(낮은 AC 전압 인가), 저항의 합인 임피던스도 낮아 거의 0에 가까울 것이다. *직류(DC)에서 임피던스와 저항은 같기 때문에 저항이 낮으면 0이 된다. 즉, 임피던스의 값이 낮아 0에 가깝다면 저항의 특성은 직류와 비슷하다고 볼 수 있다.

✅ 주파수가 높으면 임피던스가 커진다.

✅ 임피던스가 낮다는 것은 저항이 낮다는 의미이므로 화학적 반응이 빠르게 일어난다는 것을 알 수 있고, 저항이 높다면 반응이 느리게 일어난다는 것을 추측할 수 있다.

 

source : Google

 

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