임피던스 해석법. 임피던스 실수부와 허수부의 의미는? EIS 해석법 nyquist plot

 

 

 

 임피던스(impedance)는 이전에 설명했던 바와 같이 교류 전압을 인가했을 때 나오는 저항을 측정한다.

 

EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy, 전기화학 임피던스 분광법), EIS 그래프 해석, 저항과 리액턴스

 

 이때 교류 전압을 인가하면, 임피던스는 실수부와 허수부가 나오고, 실수부를 X축, 허수부를 Y축으로 나눠 좌표를 찍으면서 그리며 나오는 그래프가 'nyquist plot'이다.

 

nyquist plot, source : Performance of WO3 Incorporated Carbon Electrodes for Ambient Mesoscopic Perovskite Solar Cells

 

 

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 임피던스 실수부와 허수부의 의미

 

임피던스는 복소수이다. 간략하게 말하면,

 

▲ 임피던스에서 X축을 나타내는 실수부는 우리가 흔히 알고 있는 전류 흐름을 방해하는 저항이다.

 

▲ Y축을 나타내는 임피던스 허수부는 또 다른 저항인 '리액턴스'를 나타낸다. 

*여기서 '리액턴스'란? 인덕터에 존재하는 저항(유도성 리액턴스)과 커패시터에 존재하는 저항(용량성 리액턴스)이 있다.

 

 

 인덕터란?

 

▲ '코일'로도 불리며 얇은 금속선으로 만든 고리 모양 도선이다. 

 

▲ 인덕터는 원래 상태를 유지하려고 하기 때문에 전류의 변화가 생기면 그것을 방해하는 방향으로 전압을 유도한다. 

 

▲ 인덕터는 고리 모양 도선(코일) 방향으로 전류가 흐르게 되면 자기장이 발생한다. 그러면 인덕터의 특성으로 동시에 자기장을 억제하는 반대 방향으로 자기장을 발생시킨다. 이때 억제하는 자기장으로 인해 억제 전류가 생성된다.

 

*또한, 인덕터는 전류가 일정한 직류는 통과시키고, 양극과 음극이 계속해서 변하는 교류 전류는 전류가 계속 변화하기 때문에 인덕터는 저항처럼 동작한다. 이를 '유도성 리액턴스'라고 한다. (교류 전압은 시간에 따라 방향과 크기가 계속 바뀜.)

 

source : 삼성전기(인덕터 사진)

 

 

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 교류 저항에서는 일반적인 저항과 다른 저항인 리액턴스가 발생함을 알았으니, 임피던스 그래프를 한번 보자.

 

▲ 여기서 알 수 있는 것은 크게 두 가지다. 직렬 저항(Rs), 전하 이동 저항(Rct).

 

▲ Rs는 X축인 Z'에 처음 찍힌 곳을 보면 된다. 숫자가 큰 곳에 좌표가 찍혀있을수록 저항이 더 높다고 볼 수 있다.

 

▲ Rct는 그래프의 반원호를 보면 된다. 반원호를 쭉 완벽하게 가상으로 그려보면 되는데, 반원호의 크기가 클수록 Rct가 크다고 할 수 있다. Rct가 낮을수록 이온의 확산도가 높아 redox 반응도 더 원활하게 일어난다는 것을 알 수 있다.

 

*아래 이미지의 경우 직렬 저항인 Rs는 동일하나, Rct는 빨간 선이 가장 작고, 초록색 선이 가장 큼을 알 수가 있다.

 

source : Hierarchical cystine flower based electrochemical genosensor for detection of Escherichia coli O157:H7