전극

300px|섬네일|upright=1.3|차폐 금속 아크 용접에 사용되는 전극
전극(電極, electrode)은 전자 회로의 비금속 부분(예: 반도체, 전해질, 진공 또는 가스)과 접촉하는 데 사용되는 전기 전도체이다. 화학 전지에서 전극은 전지의 종류에 따라 다양한 물질(화학 물질)로 구성될 수 있는 필수 부품이다. 전극은 전극 간의 전위차와 관계없이 전류의 방향에 따라 캐소드 또는 애노드라고 불린다.

마이클 패러데이는 1833년에 "전극"()이라는 용어를 만들었다. 이 단어는 그리스어 ἤλεκ트로ν (, "호박")과 ὁδός (, "길, 방법")에서 유래했다.

1762년 요한 빌케가 발명한 전기쟁반(electrophore)은 정전기 연구에 사용된 초기 형태의 전극이었다.

 화학 전지의 애노드와 캐소드 
섬네일|볼타 전지(갈바니 전지)의 도식

전극은 모든 전지의 핵심 부품이다. 최초의 전기 화학 전지는 알레산드로 볼타에 의해 고안되었으며 적절하게 볼타 전지라고 명명되었다. 이 전지는 고염수에 적신 종이 디스크로 분리된 구리와 아연 전극의 적층으로 구성되었다. 볼타 전지에서 제공되는 전압의 변동 때문에 그다지 실용적이지는 않았다. 최초의 실용적인 전지는 1839년에 발명되었으며 존 다니엘의 이름을 따서 다니엘 전지라고 불렸다. 이것은 여전히 아연-구리 전극 조합을 사용했다. 그 이후로 다양한 재료를 사용하여 더 많은 전지가 개발되었다. 이 모든 것의 기초는 여전히 두 개의 전극인 애노드와 캐소드를 사용하는 것이다.

 애노드 
'애노드'(Anode)는 마이클 패러데이의 요청으로 윌리엄 휴얼이 만든 용어로, 그리스어 ἄνο (ano, '위쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다. 애노드는 화학 전지(배터리)의 전기 회로에서 비금속 전지로 관습적인 전류가 들어오는 전극이다. 그런 다음 전자는 배터리의 반대편으로 흐른다. 벤저민 프랭클린은 전기 흐름이 양극에서 음극으로 이동한다고 추측했다. 전자는 애노드에서 멀어지는 방향으로 흐르고 관습적인 전류는 애노드를 향해 흐른다. 양쪽 모두에서 애노드의 전위가 음의 값임을 결론지을 수 있다. 애노드로 들어오는 전자는 그 옆에서 일어나는 산화 반응에서 발생한다.

 캐소드 
캐소드는 여러 면에서 애노드와 반대이다. 이 명칭(역시 휴얼이 명명함)은 그리스어 κάτω (kato, '아래쪽으로')와 ὁδός (hodós, '길')에서 유래했다. 이것은 양의 전극으로, 전자가 전기 회로에서 캐소드를 거쳐 화학 전지의 비금속 부분으로 흐른다는 것을 의미한다. 캐소드에서는 캐소드에 연결된 전선에서 도착한 전자를 이용해 산화제가 흡수하는 환원 반응이 일어난다.

 일차 전지 
섬네일|다양한 일회용 전지: 9볼트 2개, "AAA" 2개, "AA" 2개, 그리고 "C", "D" 각 1개, 무선 전화기 배터리, 캠코더 배터리, 2미터 휴대용 햄 라디오 배터리 및 단추형 전지.

일차 전지는 한 번 사용하고 버리도록 설계된 전지이다. 이는 전지 내 전극에서 일어나는 전기 화학 반응이 가역적이지 않기 때문이다. 일차 전지의 예로는 손전등에 흔히 사용되는 일회용 알칼리 전지가 있다. 이는 ZnO가 형성되는 아연 애노드와 이산화 망가니즈 캐소드로 구성된다.

반쪽 반응은 다음과 같다:
 Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [E0산화 = −1.28 V]
 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [E0환원 = +0.15 V]

전체 반응:
 Zn(s) + 2MnO2(s) ZnO(s) + Mn2O3(s) [E0전체 = +1.43 V]
ZnO는 덩어리지는 경향이 있어 다시 충전할 경우 방전 효율이 떨어진다. 이러한 배터리를 재충전하는 것이 가능할 수도 있지만, 안전 문제로 인해 제조사에서는 권장하지 않는다. 다른 일차 전지로는 아연-탄소, 아연-염화물 및 리튬-이황화철 전지가 있다.

 이차 전지 
섬네일|재충전 가능한 이차 전지
섬네일|방전 및 충전 중 이차 전지의 전류 및 전자 방향

일차 전지와 달리 이차 전지는 재충전이 가능하다. 최초의 이차 전지는 1859년 프랑스 물리학자 가스통 플랑테가 발명한 납 축전지였다. 이 유형의 배터리는 여전히 자동차 등에서 가장 널리 사용되고 있다. 캐소드는 이산화 납(PbO2)으로, 애노드는 고체 납으로 구성된다. 다른 흔히 사용되는 이차 전지에는 니켈-카드뮴 전지, 니켈-금속 수소화물 전지 및 리튬 이온 전지가 있다. 마지막 리튬 이온 전지는 그 중요성 때문에 이 문서에서 더 자세히 설명한다.

 마커스의 전자 이동 이론 
마커스 이론은 노벨상 수상자 루돌프 마커스가 원래 개발한 이론으로, 전자가 한 화학 종에서 다른 화학 종으로 이동할 수 있는 속도를 설명한다. 이 문서의 목적에서 이는 전극에서 용매의 화학 종으로 또는 그 반대로 '점프'하는 것으로 볼 수 있다.
이 문제는 도너(donor)에서 어셉터(acceptor)로의 전자 이동에 대한 이동 속도를 계산하는 것으로 나타낼 수 있다.
 D + A → D+ + A−

섬네일|도너와 어셉터의 퍼텐셜 에너지 곡면

시스템의 퍼텐셜 에너지는 반응하는 화학 종과 주변 매질의 분자들에 대한 병진, 회전 및 진동 좌표의 함수이며, 이를 통칭하여 반응 좌표라고 한다. 오른쪽 그림의 가로축이 이를 나타낸다. 고전적인 전자 이동 이론으로부터, 비단열 과정과 포물선형 퍼텐셜 에너지를 가정할 경우, 교점()을 찾음으로써 반응 속도 상수(반응 확률)의 식을 계산할 수 있다. 한 가지 중요한 점은 마커스가 이론을 제안할 때 언급했듯이, 전자 이동은 에너지 보존 법칙과 프랑크-콘돈 원리를 준수해야 한다는 것이다.
이 작업을 수행하고 정리하면 반응의 전체 자유 에너지()에 대한 자유 활성화 에너지()의 식이 도출된다.

여기서 는 재구성 에너지(reorganisation energy)이다.
이 결과를 고전적으로 유도된 아레니우스 방정식에 대입하면

다음과 같이 연결된다.

여기서 A는 보통 실험적으로 결정되는 빈도 인자(pre-exponential factor)이다. 다만 아래 설명된 것처럼 준고전적 유도가 더 많은 정보를 제공한다.

이 고전적으로 유도된 결과는 조건에서 최대 전자 이동 속도가 관찰되는 현상을 정성적으로 재현했다. 더 광범위한 수학적 처리를 위해서는 뉴턴(Newton)의 논문을 참고할 수 있다. 이 결과에 대한 해석과 의 물리적 의미에 대한 자세한 내용은 마커스의 논문을 읽어볼 수 있다.

현재 상황은 변위된 조화 진동자 모델을 사용하여 더 정확하게 설명할 수 있으며, 이 모델에서는 양자 터널링이 허용된다. 이는 고전 이론과 달리 절대 온도가 거의 0에 가까운 상태에서도 여전히 전자 이동이 존재하는 이유를 설명하는 데 필요하다.

유도 과정에 대한 너무 상세한 설명 없이 말하자면, 이 유도는 시스템의 전체 해밀턴을 이용한 시간 의존 섭동 이론의 페르미 황금률을 사용하는 데 기초한다. 반응물과 생성물(화학 반응의 오른쪽과 왼쪽)의 파동 함수 중첩을 살펴보고, 에너지가 같아져 전자 이동이 허용되는 시점을 찾을 수 있다. 앞서 언급했듯이 이는 에너지 보존이 준수되어야 하기 때문에 발생해야 한다. 몇 가지 수학적 단계를 건너뛰면 전자 이동 확률은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다(비록 상당히 어렵지만).

이 방정식에서 μ는 화학 전위를 나타내며, μo는 기준값이다. T는 온도, k는 볼츠만 상수이다. 로그 안의 γ 항은 활동도이며 x는 전체 전극 조성에 대한 이온의 비율이다. 새로운 항 Ω는 호스트(host) 내 이온의 부분 몰 부피이고 σ는 시스템이 느끼는 평균 응력에 해당한다. 이 방정식의 결과는 화학 전위에 의존하는 확산이 추가된 응력에 의해 영향을 받고, 따라서 배터리의 성능을 변화시킨다는 것이다. 또한 기계적 응력은 전극의 고체-전해질-계면 층에도 영향을 미칠 수 있다. 이온과 전하 이동을 조절하는 계면이 응력에 의해 파손될 수 있다. 따라서 이를 재생하기 위해 용액 내의 더 많은 이온이 소비되어 시스템의 전반적인 효율이 저하된다.

 기타 애노드와 캐소드 
진공관이나 극성을 가진 반도체(다이오드, 전해 캐패시터)에서 애노드는 양극(+)이고 캐소드는 음극(-)이다. 전자는 캐소드를 통해 장치로 들어오고 애노드를 통해 장치에서 나간다. 많은 장치에는 베이스, 게이트, 제어 그리드와 같이 작동을 제어하기 위한 다른 전극이 있다.

3전극 전지에서 보조 전극이라고도 불리는 상대 전극은 작업 전극에 전류가 가해질 수 있도록 전해질에 연결하는 용도로만 사용된다. 상대 전극은 보통 용해되는 것을 방지하기 위해 귀금속이나 흑연과 같은 불활성 재료로 만들어진다.

 용접 전극 
아크 용접에서 전극은 전류를 공작물에 전달하여 두 조각을 융합하는 데 사용된다. 공정에 따라 전극은 가스 금속 아크 용접 또는 차폐 금속 아크 용접의 경우처럼 소모성이거나, 가스 텅스텐 아크 용접과 같이 비소모성이다. 직류 시스템의 경우, 용접봉은 충전형 용접을 위한 캐소드이거나 다른 용접 공정을 위한 애노드일 수 있다. 교류 아크 용접기의 경우 용접 전극은 애노드나 캐소드로 간주되지 않는다.

 교류 전극 
교류를 사용하는 전기 시스템의 경우, 전극은 회로에서 전류가 작용할 대상 물체로의 연결부이지만, 전자의 흐름 방향이 주기적으로(보통 초당 여러 번) 바뀌기 때문에 애노드나 캐소드로 지정되지 않는다.

 화학적으로 수식된 전극 
화학적으로 수식된 전극(Chemically modified electrodes)은 전극의 물리적 성질, 화학적, 전기 화학적, 광학적, 전기적 및 수송 성질을 변화시키기 위해 표면을 화학적으로 수정한 전극이다. 이러한 전극은 연구 및 조사의 고급 목적으로 사용된다.

 용도 
전극은 비금속 물체에 전류를 공급하여 다양한 방식으로 변화시키고 다양한 목적으로 전도도를 측정하는 데 사용된다. 예시는 다음과 같다:
 연료전지용 전극
 뇌전도(EEG, 뇌 활동 기록), 심전도(ECG, 심장 박동 기록), 전기경련 요법(ECT, 전기적 뇌 자극), 세동제거(심장 자극 기록 및 전달)와 같은 의료용 전극
 생물 의학 연구의 전기생리학 기법용 전극
 전기의자에 의한 처형용 전극
 전기도금용 전극
 아크 용접용 전극
 음극 보호(cathodic protection)용 전극
 접지용 전극
 전기 화학적 방법을 이용한 화학 분석용 전극
 나노 전기 화학의 고정밀 측정을 위한 나노 전극
 전기 분해를 위한 불활성 전극(백금으로 제작)
 막 전극 접합체
 테이저 전기충격기용 전극

 전극에 사용되는 재료의 종류 
모재 금속, 용접 강도 및 서비스 조건에 따라 다양한 전극 재료가 선택된다. 일반적인 예시는 다음과 같다:

 연강 
이 전극들은 일반적인 용도의 용접에 사용된다.

 E6010
 E6011
 E6013
 E7018

 스테인리스강 
내식성이 필요한 곳에 사용된다.

 E308L
 E309L
 E316L
 E347

 주철 
주철 부품의 수리 또는 결합을 위해 설계되었다.

 ENiFe-CI
 ENi-CI
 ESt

 니켈 합금 
고온, 부식성 환경 또는 이종 금속 용접에 사용된다.

 ENiCrMo-3
 ENiCrFe-2
 ENiCrMo-6
 ENiCu-7

 알루미늄 
경량, 전도성 또는 내식성 접합이 필요한 곳에 적용된다.

 E4043
 E5356
 E1100

 티타늄 
항공우주, 화학 및 고온 응용 분야에 사용된다.

 ERTi-1
 ERTi-2
 ERTi-5 (Ti-6Al-4V)

 구리 및 구리 합금 
전도성 응용 분야 및 구리 기반 합금의 접합에 사용된다.

 ECu
 ECuSi-A
 ECuSn-C

 같이 보기 

 직류와 교류
 양전하와 음전하
 양이온과 음이온
 전압

 각주