화학공학과에서 배우는 전기화학

전기화학에서 다루는 내용

화공에서 이차전지, 반도체 등 전류/전자와 관련된 소자에 대한 연구가 활발히 진행됨에 따라 인기가 높아진 과목입니다. 전기화학에서는 전자의 운동이 관여된 system에 대한 열역학 그리고 이동현상에 대해 배우게 됩니다. 교수님께서 선수지식을 설명해주시지만, 새롭게 배우는 것과 나름대로 알고 있는 것과는 차이가 있을 것이기에, 4학년에 수강하는 것도 나쁘지 않다고 생각됩니다.

전기화학 과목에서는 다음의 내용들을 다룹니다.

 

1) Introduction to Electrics

일반물리학2의 전반부에서 배우는 전자기학의 기초 내용을 배웁니다. Columb’s Law로부터 Electric Field, Electric Potential 등 논의를 위해 알아야 하는 용어들을 정의하고 관련된 내용들을 배웁니다. 전류가 전자의 이동으로 나타난 것과 비슷하게, 전하를 띠는 입자가 이동해서도 전류가 발생할 수 있습니다. 이를 표현하기 위해 mobility, transparent number 등과 같은 개념도 새로 배우게 될 것입니다.

 

2) Thermodynamics with Electrics

열역학은 상태의 변환이 가능한지, 변환이 가능하다면 해당 상태 변환에 필요한 에너지 등을 계산해내는 분야라고 생각합니다. 전기화학에서의 열역학은 기본적으로 다성분계로 구성이 되어있기에, 이 부분에 대한 내용을 먼저 배우게 됩니다. 특히 성분이 많아지며 나타나는 비이상성을 나타내기 위해 activity라는 개념에 대해 상세히 배우고, 이를 이용해서 이온을 표현하는 방법에 대해서도 배울 수 있습니다.

이를 바탕으로 전지의 기본 단위인 Cell에 대해 자세히 배우게 됩니다. Cell의 종류는 무엇인지, Cell 내의 전극은 어떻게 정의하는지, 이들의 관계에서부터 예상되는 깁스에너지와 전압의 크기 등을 게산하는 방법에 대해 배우게 됩니다. 개인적으로 가장 헷갈리는 부분이었지만, 그만큼 중요했던 내용이었습니다.

 

3) Kinetics and Transport Phenomena with Electircs

열역학을 가능성의 학문이라 이야기한 이유는, 그 과정에서 소요되는 시간에 대해 고려하지 않기 때문입니다. 전류는 전극에서의 산화환원 속도에 의해 결정되고, 단위 시간당 이동한 전자의 양으로부터 전류가 얻어집니다. 이를 계산할 수 있는 Butler-Volmer Equation에 대한 내용을 배우게 됩니다. 한편, 해당 전류는 평형에서 벗어난 상태에서 발생하며 벗어난 정도를 overpotential을 이용해서 표현합니다. overpotential이 발생하는 이유와, 각 상황에서 전류나 반응물의 농도 등이 어떻게 변하는지에 대해서도 배워볼 수 있습니다.

 

4) Transport Phenomena with Electrics

지금까지는 cell 전체에서, 그리고 전극 근처에서의 내용에 대해 다루었습니다. 이러한 현상들은 사실 Cell 내부에서 물질들이 이동하기에 관찰됩니다. 그렇기에 물질의 이동, 특히 이온의 이동에 대해 자세하게 내용을 다루게 됩니다. 이온은 Migration, Diffusion, 그리고 Convection에 의해 이동할 수 있습니다. 각 물질 이동 방식에 따른 물질의 농도 분포 등을 계산하는 방법에 대해 배우게 됩니다. Migration의 경우 Nernst-Plank Equation을 이용해서 풀이하고 Diffusion의 경우 Fick’s 2nd Law를 라플라스 변환을 이용해서 풀이하게 될 것입니다. 한편, Convection의 경우 이를 이용하는 Rotating Electrode 등에 대한 내용을 배울 수 있을 것입니다.

 

5) Other Themes

남은 수업시간에는 전기화학과 관련된 여러 주제들에 대해 배우게 됩니다. 물질의 전기화학적 거동성을 평가하기 위해 진행하는 Voltammetry 기법과, 전기화학현상을 이용한 여러 측정장치, 그리고 이차전지의 기본 개념 등을 배울 수 있습니다. 아마 학기 중 진도에 맞추어 교수님께서 조정하실 것입니다.

 

시험 준비방식 및 공부 방법

공부해야 하는 양이 적지 않았던 것 같습니다. 매주 배운 내용을 복습하기 위해서 주말 하루를 다 썼던 것 같습니다. 6학점짜리 과목이라는 말을 어디선가 봤던 것 같은데, 공감이 많이 되었습니다. 그렇다고 시험 자체가 어렵게 나오지는 않습니다. 강의자료에 있는 내용을 그대로 물어보는 문항이 대부분이고, 일부 문항이 교수님께서 수업시간에 말로 설명해주신 내용에서 출제되기 때문입니다.

 

1) 교재를 적극적으로 활용하기

교수님의 강의자료가 꼭 필요한 내용만 담겨있긴 하지만, 불친절하다고 느낄 수 있습니다. 그 여백들을 수업시간에 말씀해주긴 하지만, 교재를 봤을 때 이해가 되었던 부분이 많았습니다. 특히 Transport 부분의 내용은 주교재가 아닌 부교재에서 많이 언급되므로, 이를 참고하면 도움이 됩니다.

(1) 주교재 Keith Oldham, Electrochemical Science and Technology

(2) 부교재 Thomas-Alyea, Electrochemical System

(3) 참고교재 Atkins, physical chemistry - Debye Huckle Theory나 Mobility 등을 공부할 때 좋았습니다.

 

2) 식 변환은 편리함을 위해 이루어짐을 믿기

정말 많은 식들이 나오고, 모든 식의 결과를 외울 수 없기에 시험 시간에 어쩔 수 없이 유도를 해낼 수 있어야 합니다. 연필과 종이를 이용해서 연습을 하다보면 이걸 왜 해야 하는지 의문이 들 수도 있습니다. 이러한 변환과 유도는 계산에 편리함을 주기 위해 진행됩니다. 예를 들어 대칭성을 활용하기 위해 spherical coordinate를 도입하거나, 전극 근처에서의 농도는 측정이 어렵기에 다른 지점에서의 농도를 대입해서 변환하는가 하는 이유 등에 대해 배울 수 있습니다. 식을 적을 때 이를 고려하면 공부를 하는데 더 편했던 기억이 납니다.

 

3) 헷갈리는 내용은 그 주에 해결하기

화공에서 전기적 내용에 대해 다룰 기회가 많이 없기에, 부호규약이나 개념적으로 헷갈리는 내용들을 종종 접하게 될 것입니다. 전공과목들은 앞의 내용을 알고 있다고 전제하고 있기 때문에 복습을 하든, 예습을 미리 하든 최대한 그 주에 해결하는 것을 권장합니다. 그렇지 않다면, 수업시간이 시간낭비로 느껴질 수 있습니다.