캐소드

섬네일|갈바니 전지(예: 배터리) 내 구리 캐소드의 도표. 양전하를 띤 양이온이 캐소드를 향해 이동하여 양전류 i가 캐소드 밖으로 흐를 수 있게 한다.

캐소드(cathode) 또는 음극은 납 축전지와 같이 극성이 있는 전기 장치에서 전류가 흘러나오는 전극이다. 이 정의는 "캐소드 전류 이탈"(Cathode Current Departs)의 약자인 CCD라는 기억술을 사용하여 기억할 수 있다. 전류는 양전하가 이동하는 방향을 설명한다. 대부분의 전기 시스템에서 전류의 운반체인 전자는 음의 전하를 띠므로, 전자의 이동은 전류의 흐름과 반대이다. 즉, 전자는 외부 회로에서 장치의 캐소드로 흘러 들어간다. 예를 들어, + (플러스) 표시가 된 가정용 전지의 끝부분이 캐소드이다.

전류가 반대 방향으로, 즉 장치 안으로 흘러 들어가는 전극은 애노드(양극)라고 한다.

 전하의 흐름 
전류는 전지나 장치의 종류 및 작동 모드에 관계없이 전지 또는 장치 외부에서 캐소드에서 애노드로 흐른다(전자는 반대 방향으로 이동함).

애노드에 대한 캐소드의 전기 극성은 장치가 어떻게 작동되는지에 따라 양(+) 또는 음(-)이 될 수 있다. 장치나 전지 내부에서 양전하를 띤 양이온은 항상 캐소드를 향해 이동하고 음전하를 띤 음이온은 애노드를 향해 이동하지만, 캐소드 극성은 장치 유형에 따라 달라지며 작동 모드에 따라서도 달라질 수 있다. 캐소드가 음으로 극성화되든(배터리 충전 시 등) 양으로 극성화되든(배터리 사용 시 등), 캐소드는 외부에서 전자를 끌어들이고 내부에서 양전하를 띤 양이온을 끌어당긴다.

사용 중인 배터리나 갈바니 전지는 전류가 장치 밖으로 흘러나가는 지점이기 때문에 캐소드가 양극(+) 단자가 된다. 이 외부로 향하는 전류는 내부적으로 전해질에서 양극 캐소드로 이동하는 양이온에 의해 운반된다(화학 에너지가 이러한 "역행" 운동을 담당한다). 이는 배터리로 들어오는 전자에 의해 외부적으로 계속되며, 이는 밖으로 흐르는 양전류를 구성한다. 예를 들어, 다니엘 갈바니 전지의 구리 전극은 양극 단자이자 캐소드이다.

충전 중인 배터리나 전기 분해를 수행하는 전해전지는 캐소드가 음극(-) 단자가 되며, 여기서 전류가 장치를 빠져나가 전하가 배터리/전지로 들어옴에 따라 외부 발전기로 돌아간다. 예를 들어, 다니엘 갈바니 전지에서 전류 방향을 바꾸면 기술적으로 전해전지로 변환되며, 이때 구리 전극은 양극 단자이자 애노드가 된다.

다이오드에서 캐소드는 화살표 기호의 뾰족한 끝에 있는 음극 단자로, 여기서 전류가 장치 밖으로 흘러나온다. 참고: 다이오드의 전극 명칭은 제너 다이오드나 태양 전지처럼 역방향 전류가 관심 대상인 유형이라 할지라도 항상 순방향 전류(화살표 방향, 전류가 "가장 쉽게" 흐르는 방향)의 방향을 기준으로 한다. 캐소드선관(CRT)을 포함한 진공관에서 캐소드는 전자가 외부 회로에서 장치로 들어와 관의 근진공 상태로 진행하는 음극 단자이며, 이는 장치 밖으로 흐르는 양전류를 구성한다.

 어원 
이 단어는 1834년 그리스어 '카토도스'(κάθοδος, '하강' 또는 '내려가는 길')에서 유래하여 마이클 패러데이로부터 최근 발견된 전기 분해 과정을 완성하는 데 필요한 새로운 명칭들에 대해 자문을 받은 윌리엄 휴얼이 고안했다. 그 논문에서 패러데이는 전해전지가 전류가 "분해되는 물체"(전해질)를 "동쪽에서 서쪽으로, 또는 기억을 돕기 위해 태양이 움직이는 것처럼 보이는 방향"으로 가로지르도록 놓였을 때, 캐소드는 서쪽 방향에서 전류가 전해질을 떠나는 곳이라고 설명했다. "kata는 아래로, odos는 길; 태양이 지는 길"이라는 의미이다.

'서쪽'을 '나가는' 방향(실제로는 '밖' → '서쪽' → '일몰' → '아래', 즉 '시야에서 사라짐')을 의미하는 데 사용하는 것은 불필요하게 부자연스러워 보일 수 있다. 이전에 위에서 인용된 첫 번째 참고 자료에 언급된 바와 같이, 패러데이는 더 직관적인 용어인 "exode"(전류가 나가는 문)를 사용했었다. 그가 이를 '서쪽 전극'을 의미하는 무언가(다른 후보로는 "westode", "occiode", "dysiode" 등이 있었음)로 바꾼 동기는 당시 정확한 본질이 알려지지 않았던 전류의 방향 관습이 나중에 바뀔 가능성에 대비하기 위함이었다. 그가 이 목적으로 사용한 기준은 당시 불변이라고 믿어졌던 지자기 방향이었다. 그는 전지의 임의적인 방향을 내부 전류가 지구와 같은 방향의 자기 쌍극자 장치를 유도하는 국부 위도선을 따라 가상의 자기화 전류 루프와 평행하고 같은 방향으로 흐르는 상태로 근본적으로 정의했다. 이로 인해 내부 전류는 앞서 언급한 것처럼 동쪽에서 서쪽으로 흐르게 되었지만, 나중에 관습이 바뀌더라도 서쪽 전극이 더 이상 '나가는 길'이 되지 않게 된다. 따라서 "exode"는 부적절해지겠지만, '서쪽 전극'을 의미하는 "cathode"는 당시에는 알려지지 않았으나 자기적 기준에 의해 명확하게 정의된다고 그가 생각했던 전류의 근저에 있는 실제 현상의 변하지 않는 방향에 대해 계속해서 정확함을 유지할 것이었다. 돌이켜보면 이 명칭 변경은 불행한 일이었다. 그리스어 어원 자체만으로는 더 이상 캐소드의 기능을 드러내지 못할 뿐만 아니라, 더 중요하게는 우리가 이제 알고 있듯이 "cathode"라는 용어의 기초가 된 지자기 방향은 지구자기역전의 영향을 받는 반면, "exode"의 기초가 된 전류 방향 관습은 미래에 바뀔 이유가 없기 때문이다.

이후 전자가 발견되면서 기억하기 더 쉽고 기술적으로 더 오래 지속되는(비록 역사적으로는 틀리지만) 어원이 제안되었다. 캐소드는 그리스어 '카토도스'에서 유래하여 '전자가 전지(또는 다른 장치) 내부로 (내려)가는 길'이라는 의미이다.

 화학에서 
화학에서 캐소드는 화학 전지에서 환원 반응이 일어나는 전극이다. 전해전지(전지에 제공된 전기에너지가 화합물을 분해하는 데 사용되는 경우)에서는 음극이 될 수 있고, 갈바니 전지(화학 반응이 전기에너지를 생성하는 데 사용되는 경우)에서는 양극이 될 수 있다. 캐소드는 전해질로부터 흘러 들어오는 양전하를 띤 양이온에 전자를 공급한다(갈바니 전지에서 캐소드가 양극이어서 양전하를 띤 양이온을 밀어낼 것으로 예상되더라도, 이는 갈바니 전지 내의 애노드 및 캐소드 금속/전해질 시스템에서 전해질 용액에 대한 전극 전위가 서로 다르기 때문이다).

전기화학에서 환원 전류(cathodic current)는 캐소드 계면에서 용액 내의 화학종으로 흐르는 전자의 흐름이다. 산화 전류(anodic current)는 용액 내의 화학종에서 애노드로 흘러 들어가는 전자의 흐름이다.

 전해전지 
전해전지에서 캐소드는 전지를 구동하기 위해 음의 극성이 가해지는 곳이다. 캐소드에서의 일반적인 환원 결과는 수소 가스 또는 이온으로부터 얻어진 순수 금속이다. 두 환원제의 상대적인 환원력을 논할 때, 더 강한 환원성 화학종을 생성하는 쌍이 더 쉽게 환원되는 시약에 비해 더 "캐소드적"이라고 말한다.

 갈바니 전지 
갈바니 전지에서 캐소드는 회로가 완성될 수 있도록 양의 극이 연결되는 곳이다. 갈바니 전지의 애노드가 전자를 내보내면, 그 전자는 회로를 거쳐 캐소드를 통해 전지 내부로 돌아온다.

 금속 캐소드 전기도금 (전기 분해) 
이온 용액에서 금속 이온이 환원되면 캐소드 표면에 순수 금속층을 형성한다. 순수 금속으로 도금될 물체는 전해액 내에서 캐소드에 부착되어 캐소드의 일부가 된다.

 전자공학에서 
 진공관 
섬네일|무선 송신기에 사용되는 1 kW 출력 4극 진공관의 직열식 캐소드에서 나오는 빛. 캐소드 필라멘트는 직접 보이지 않는다.

진공관 또는 전자 진공 시스템에서 캐소드는 대개 전자 방출을 크게 개선하는 산화물 코팅이 된 금속 표면으로, 필라멘트에 의해 가열되어 진공 공간으로 자유 전자를 방출한다. 어떤 경우에는 노출된 필라멘트 자체가 캐소드 역할을 하기도 한다. 전자는 금속 원자의 양전하를 띤 핵에 끌리기 때문에 보통 금속 내부에 머물며 이를 떠나기 위해서는 에너지가 필요한데, 이를 금속의 일함수라고 한다. 캐소드는 다음과 같은 몇 가지 메커니즘에 의해 전자를 방출하도록 유도된다.
 열전자 방출: 캐소드를 가열할 수 있다. 금속 원자의 증가된 열운동은 표면에서 전자를 "쳐내는데", 이 효과를 열전자 방출이라고 한다. 이 기술은 대부분의 진공관에서 사용된다.
 전계 전자 방출: 캐소드 근처에 높은 양전압을 가진 전극을 배치하여 표면에 강한 전기장을 가할 수 있다. 양전하를 띤 전극은 전자를 끌어당겨 일부 전자가 캐소드 표면을 떠나게 한다. 이 공정은 일부 전자현미경의 냉음극관에서 사용되며, 마이크로전자공학 제조에서도 사용된다.
 이차 방출: 충분한 에너지를 가지고 캐소드 표면에 충돌하는 전자, 원자 또는 분자는 표면에서 전자를 쳐낼 수 있다. 이러한 전자를 이차 전자라고 한다. 이 메커니즘은 네온등과 같은 가스방전등에서 사용된다.
 광전 방출: 한계 진동수보다 큰 진동수를 가진 빛이 특정 금속의 전극에 비춰질 때 전자가 방출될 수 있다. 이 효과를 광전 방출이라고 하며, 생성된 전자를 광전자라고 한다. 이 효과는 광전관과 영상 증폭관에서 사용된다.

캐소드는 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

 열음극 

섬네일|캐소드를 보여주는 진공관 회로도 기호

열음극은 전자를 열전자 방출로 생성하기 위해 필라멘트에 의해 가열되는 캐소드이다. 필라멘트는 통과하는 전류에 의해 빨갛게 가열되는 텅스텐과 같은 내화 금속의 가는 선이다. 1960년대 트랜지스터가 등장하기 전까지 사실상 모든 전자 장비는 열음극 진공관을 사용했다. 오늘날 열음극은 무선 송신기와 전자레인지의 진공관, 구형 캐소드선관(CRT) 방식의 텔레비전 및 컴퓨터 모니터의 전자빔 생성, 엑스선 발생기, 전자현미경, 그리고 형광등 등에 사용된다.

열음극에는 두 가지 유형이 있다.
 직열식 캐소드: 이 유형에서는 필라멘트 자체가 캐소드이며 전자를 직접 방출한다. 직열식 캐소드는 초기 진공관에 사용되었으나, 오늘날에는 형광등, 일부 대형 송신용 진공관 및 모든 엑스선관에서만 사용된다.
 방열식 캐소드: 이 유형에서 필라멘트는 캐소드가 아니며 캐소드를 가열하여 전자를 방출하게 한다. 오늘날 대부분의 장치에서 방열식 캐소드가 사용된다. 예를 들어, 대부분의 진공관에서 캐소드는 내부에 필라멘트가 있는 니켈 관이며, 필라멘트의 열이 관의 외부 표면에서 전자를 방출하게 한다. 방열식 캐소드의 필라멘트는 보통 히터라고 불린다. 방열식 캐소드를 사용하는 주된 이유는 진공관의 나머지 부분을 필라멘트에 걸리는 전위로부터 격리하기 위함이다. 많은 진공관은 필라멘트를 가열하기 위해 교류를 사용한다. 필라멘트 자체가 캐소드인 관에서는 필라멘트 표면의 교류 전기장이 전자의 이동에 영향을 주어 진공관 출력에 험(hum) 노이즈를 유발할 수 있다. 또한 가열하는 캐소드들이 서로 다른 전위에 있더라도 전자 장치 내 모든 관의 필라멘트를 하나로 묶어 동일한 전류원에서 공급받을 수 있게 해준다.

전자 방출을 개선하기 위해 캐소드는 대개 일함수가 낮은 금속 화합물인 화학 물질로 처리된다. 처리된 캐소드는 동일한 캐소드 전류를 공급하기 위해 더 작은 표면적, 더 낮은 온도 및 더 적은 전력을 필요로 한다. 초기 관에 사용된 처리되지 않은 텅스텐 필라멘트("밝은 방출체")는 충분한 열전자 방출을 위해 까지 백열 상태로 가열해야 했지만, 현대의 코팅된 캐소드는 특정 온도에서 훨씬 더 많은 전자를 생성하므로 까지만 가열하면 된다. 처리된 캐소드에는 크게 두 가지 유형이 있다.

섬네일|upright=0.5|네온등 내의 냉음극 (왼쪽 전극)
 코팅된 캐소드 – 캐소드가 알칼리 금속 산화물(주로 바륨 및 스트론튬 산화물) 코팅으로 덮여 있다. 저전력 관에서 사용된다.
 토륨 텅스텐 – 고전력 관에서는 이온 충격이 코팅된 캐소드의 코팅을 파괴할 수 있다. 이들 관에서는 소량의 토륨이 포함된 텅스텐 필라멘트로 구성된 직열식 캐소드가 사용된다. 캐소드의 일함수를 줄여주는 표면의 토륨 층은 금속 내부에서 토륨이 확산되어 나옴에 따라 손실되는 만큼 계속해서 보충된다.

 냉음극관 

이는 필라멘트에 의해 가열되지 않는 캐소드이다. 이들은 전계 전자 방출에 의해 전자를 방출할 수 있으며, 방전관에서는 이차 방출에 의해 방출할 수 있다. 몇 가지 예로 네온등, 노트북의 백라이트로 사용되는 냉음극 형광램프(CCFL), 사이라트론 관, 크룩스관의 전극이 있다. 이들이 반드시 상온에서 작동하는 것은 아니다. 일부 장치에서 캐소드는 흐르는 전자 전류에 의해 열전자 방출이 일어나는 온도까지 가열되기도 한다. 예를 들어, 일부 형광등에서는 관을 통해 전류를 시작하기 위해 전극에 순간적인 고전압이 가해지며, 시작 후에는 방전을 유지하기 위해 전자를 계속 방출할 만큼 전류에 의해 전극이 가열된다.

냉음극은 광전 방출에 의해 전자를 방출할 수도 있다. 이들은 종종 광음극(photocathodes)이라 불리며, 과학 기기에 사용되는 광전관이나 야간 투시경에 사용되는 영상 증폭관에서 사용된다.

 다이오드 
섬네일|right
반도체 다이오드에서 캐소드는 N형 도핑된 PN 접합 층으로, 도핑으로 인해 자유 전자 밀도가 높고 열적으로 이온화된 도판트인 동일한 밀도의 고정된 양전하를 갖는다. 애노드에서는 정반대가 적용된다. 자유 "정공"의 밀도가 높고 결과적으로 전자를 포착한 고정된 음의 이온화 도판트가 특징이다(이것이 정공의 기원이다).

P형과 N형 도핑 층이 서로 인접하게 생성되면, 확산에 의해 전자가 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로, 즉 N형에서 P형 쪽으로 흐르게 된다. 이들은 접합부 근처에 고정된 양전하 도판트를 남긴다. 마찬가지로 정공은 P형에서 N형으로 확산되어 접합부 근처에 고정된 음의 이온화 도판트를 남긴다. 이러한 고정된 양전하 및 음전하 층을 통칭하여 공핍층이라고 하는데, 자유 전자와 정공이 고갈되었기 때문이다. 접합부의 공핍층은 다이오드의 정류 특성의 기원이 된다. 이는 내부 공핍층 전기장을 증가시키는 역방향 바이어스 인가 시 전류 흐름을 억제하는 결과적인 내부 전기장과 그에 대응하는 전위 장벽 때문이다. 반대로, 인가된 바이어스가 내장 전위 장벽을 감소시키는 순방향 바이어스 인가 시에는 전류 흐름을 허용한다.

캐소드에서 P형 도핑 층(애노드)으로 확산된 전자는 소수 운반자가 되며, 그곳에서 다수 운반자인 정공과 재결합하는 경향이 있다. 이는 P형 소수 운반자 수명이라는 재료 특성 시간 내에 일어난다. 마찬가지로 N형 도핑 층으로 확산된 정공은 소수 운반자가 되어 전자와 재결합하는 경향이 있다. 바이어스가 인가되지 않은 평형 상태에서, 공핍층을 가로질러 반대 방향으로 일어나는 전자와 정공의 열적 확산은 캐소드에서 애노드로 흘러 재결합하는 전자와 접합부 또는 공핍층을 가로질러 애노드에서 캐소드로 흘러 재결합하는 정공에 의해 순 전류가 0이 되도록 보장한다.

일반적인 다이오드와 마찬가지로 제너 다이오드에도 고정된 애노드와 캐소드가 있지만, 항복 전압 또는 "제너 전압"을 초과하면 역방향으로 전류를 전도한다(전자가 애노드에서 캐소드로 흐름).

 같이 보기 
 애노드
 진공관
 음극선관
 광전 증폭관

 각주 

 외부 링크 
 캐소드와 애노드 - 네이버 캐스트

분류:전극