전기 이중층 개념과 원리 (EDL : Electrical Double Layer)

 

 

 

 전기 이중층 (Electrical Double Layer)

 

 

 전기변색이나 요즘 핫한 2차 전지는 전기화학적 반응을 이용한다. 전기화학을 베이스로 한 기술에 특징을 보면 항상 나오는 게 '전기 이중층 (Electrical Double Layer)'이다.

 

: 전극이 용액에 담기면, 전극과 용액 사이에서 대전되는 현상이 일어난다. 전극이 (-)면, 용액은 (+)로 대전되고, 반대일 경우 전극이 (+), 용액은 (-)로 대전된다.

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 2차 전지나 전기변색은 비슷한 메커니즘을 가졌는데, 산화, 환원 전극, 전해질, 전원으로 닫힌 회로를 구성하며 산화, 환원(redox)을 이용한다는 것과 전자가 직접 반응에 참여해 ‘터널링 : 벽의 두께가 nm급으로 작을 때 벽을 통과해서 넘어가버림)’을 이용한다는 특징이 있다.

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 이때 반응물의 혼합과 달리 전극표면 반응에만 의존하기에 계면에서만 반응하는데, 전자의 성질에 따라 에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질을 이용한다. 또한, 산화환원은 언제나 동시에 일어남으로 절대 값 크기는 같아야 한다.

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 보통 전극과 전해질 사이에는 확산층이 있는데 구조는 아래 사진과 같다.

 

source : 한국전자통신연구원

 

 표면전극에는 음전하가 있고, 수화 이온(주위에 용매로 있는 몰 분자들을 끌어당긴 이온들)이 전극에 근접할 때, 전극 표면과 수화된 몰 분자 때문에 일정한 거리를 두게 된다. 이 거리를 둔 이온들이 모인 곳이 ‘외부 헬름홀츠 평면(OHP)’라고 한다.

 

 헬름홀츠 평면 안쪽에는 이미 충분히 축적된 음전하들이 있음에도, 음이온들이 흡착하는데, 이를 ‘특이성 흡착’이라고 한다. 그리고 특이성 흡착 이온들이 모인 곳을 ‘내부 헬름홀츠 평면(IHP)’라고 한다.

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 그리고 이 두 헬름홀츠 평면을 통틀어 ‘조밀 or 전기 이중층’이라고 부르며, 이 외부를 ‘확산층’이라고 한다. 확산층 쪽으로 갈수록 이온의 농도는 낮아지며, 입자 사이 반발력이나 인력의 크기에 단위인 ‘제타 전위’도 감소한다.

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 제타 전위(zeta potential)

 

 전하를 띤 입자에 + 전하가 달라붙고 (Stern layer : 고정층), 이 다음으로 (+) or (-) 전하가 붙는 걸 제타 전위(Zeta potential)이라고 한다.

 

source : 한국전자통신연구원