화학생물공학부: 전기화학

안녕하세요. 공우 14기 화학생물공학부 강현호입니다.

오늘은 화학생물공학부에서 배우는 전공선택과목 중 하나인 전기화학에 대해 얘기해보려고 합니다.

1. 전기화학 과목의 핵심내용

A. 화학생물공학부 내에서 다루는 전기화학은 단학기 과정으로 분류되어 있으며, 한 학기 동안 크게 3가지 파트에 대해 공부한 뒤 이 내용들을 실제에 응용하는 과정을 배우게 됩니다.

B. 첫번째 파트에서 배우는 것은 전기화학에서 주로 다루는 이슈들을 이해하기 위해 필요한 기본 개념을 정의하고 이해하는 것입니다. 특히 Potential과 Current의 의미에 대해서 정확히 배우는데, 쉽게 설명해보면 potential은 전기화학반응의 열역학적 해석을 위해 필요한 변수이고 current는 전기화학반응의 속도론적 해석을 위해 필요한 변수라고 생각하면 됩니다. 이외에도 매우 다양한 전문용어 등을 배우기 때문에, 그 내용이 매우 방대하고 따라서 언뜻 보면 꽤나 난해한 것 같지만, 전기화학 반응 및 현상에 대한 정의와 정의로부터 쉽게 추론할 수 있는 해석들을 공부하기 때문에 내용이 난해 한 것은 아닙니다. 다만, 배우는 영역이 넓기에, 암기가 어느정도 요구되는 부분입니다.

그림 1 Potential에 따른 Oxidation/Reduction 반응의 개요(Potential은 Gibbs Free Energy에 대응된다.)

그림 2 Current의 전기화학 반응에서 의미(Current는 Kinetic에 대응된다.) 

C. 2번째와 3번째 파트는 각각 전기화학 반응의 열역학적 해석과 속도론적 해석으로 설명 할 수 있습니다. 두번째 파트는 열역학적으로 전기화학 반응을 해석하는 것이고 앞서 얘기하였듯이 Potential이 자유에너지에 대응되기 때문에 2번째 파트는 potential을 더 깊게 배우는 챕터라고 생각하면 됩니다. 2번째 파트에서 가장 중요한 개념은 electrochemical potential이며 이에 대한 정의 및 특징에 대해 배웁니다. electrochemical potential은 물리화학 1에서 배운 chemical potential이랑 물리학적으로 매우 비슷하게 거동하기 때문에, chemical potential에 대해 사전에 배웠다면 따로 공부할 필요 없이 이 개념을 쉽게 이해할 수 있습니다. 이러한 electrochemical potential에 대해 잘 이해했으면, 이제는 이들을 이용해 개별적인 전기화학반응을 해석하는 과정을 거칩니다.  이들의 성질을 이용하여 electron transfer 반응을 분석해보고, 최종적으로는 전기화학 반응에서 가장 중요한 방정식이라고도 할 수 있은 Nernst equation을 electrochemical potential을 이용하여 유도합니다. 추가적으로 cell potential에 영향을 주는 liquid junction potential에 대해서도 알아보고, 다시 electrochemical potential을 이용하여 이들을 구하는 General equation을 유도합니다. 마지막으로, membrane potential에 대해 알아보고 마찬가지로 electrochemical potential을 이용하여 membrane potential을 유도합니다. PH meter가 membrane potential을 이용해 작동하기 때문에 PH meter가 어떻게 proton의 농도를 측정할 수 있는지 그 원리를 이해할 수 있습니다.

그림 3 Electrochemical Potential의 특징

D. 3번째 파트는 활성화 에너지와 속도론적 해석을 이용하여 Current와 Overpotential 간의 일반적으로 성립되는 관계 식을 유도하는 것이 주된 내용입니다. 다음부터는 위에서 유도한 일반적인 관계식을 기초로, Charge Transfer limiting(전기화학 반응에서 electron transfer 과정이 충분히 느린 상황을 의미)상황에서 여러가지 조건 아래에 이들 식을 단순화 하는 방법을 배웁니다. 이 과정을 통해서 전기화학 반응에서 named equation인, Butler Volmer equation 및 Tafel equation 등 다양한 equation을 유도하는 방법을 배웁니다. Charge transfer limiting 상황 말고도 Mass transfer limiting(전기화학 반응에서 물질전달이 충분히 느린 상황을 의미)인 상황도 같이 공부하는데, 이때는 열 및 물질 전달 시간에서 배운 Nernst-Planck equation과 Fick’s first law/second law를 이용하여  electrochemical system 내에서 일어나는 현상을 유추할 수 있습니다. 이때에는 복잡한 미분방정식을 풀어야 하기 때문에 수학에 약하다면 다소 어려움이 있을 것입니다.

그림 4 Current - Overpotential Curve

E. 이렇게 열역학적 관점에서의 전기화학적 해석과 속도론적 관점에서의 전기화학적 해석을 모두 공부하고 난다면, 단학기 과정에서 배우는 전기화학 파트의 90%는 종료되었다고 할 수 있습니다. 이후 부터는 앞에서 배운 여러 식들을 이용하여 다양한 전기화학의 실험기법을 이해하는 시간을 가집니다. 

그림 5 Mass transfer limiting인 상황에서 electrochemical system에 음의 전압을 강하게 주었을 때, time v. concentration profile & time v. current profile

F. 학부 전기화학 수업에서 배우는 전기화학적 실험방법은 크게 Chronoamperometry, Potential Sweep-Cyclic Voltammetry, Chronopotentiometry, Electrochemical Impedance spectroscopy이며, 앞에서 보았던 Current - Overpotential 식을 기초로 여러 조건들을 부여해 편미분 방정식을 풀어 정량적인 식을 얻어냅니다. 만약 편미분 방정식이 풀리지 않는 경우 수치적 해석을 이용하여 개략적인 값을 구해내고 이에 대한 정성적인 해석과정 또한 배웁니다.  

그림 6 전기화학의 여러가지 실험방법과 그에 대한 Response

2. 선배로서 조언

A. 서울대에서 열리는 전기화학 과목은 크게 화학부에서 열리는 전기화학과 화학생물공학부에서 열리는 전기화학으로 나뉘어져 있고 이론적인 부분을 깊게 보고 싶으면, 화학부의 것을 실용적인 부분을 깊게 보고 싶으면 공학부의 것을 듣는 것을 추천합니다.

B.  사실 단학기로 열리는 과목이라, 교수님께서도 언급하셨듯 이 과목이 전기화학에 대한 많은 지식을 전달해주지는 못합니다. 그래서 만약 자신이 배터리 연구에 뜻이 있다면, 이 과목은 학부를 졸업하기 전 가볍게 전기화학에 대해 알아가는 시간이라고 생각하고 들으시면 됩니다. 따라서, 자신이 배터리 연구에는 뜻이 없다고 생각하시는 분들에게는 반드시 들어야 할 필요는 없다고 얘기할 수는 있으나, 배터리분야는 현재 우리나라에서 반도체, 자동차와 함께 가장 유망한 분야 중 하나로 점쳐지는 분야이기 때문에, 화학공학도로서 그 배경기술을 알기 위해서라도 졸업 전 한번 들어보는 것을 추천합니다.

그림 7 2030년까지 전기차/리튬이온 배터리 산업의 수요전망

C. 수학을 매우 많이 쓰기는 하나 2학년때 배우는 공학수학을 잘 이해하고 있다면 그리 어려운 수준은 아닙니다. 대다수의 공학과목에 쓰이는 수학이 그렇듯 추상적인 것보다는 구체적인 내용의, 그리고 조건을 통해 매우 간단화된 미분방정식을 푸는 것만 가능한다면 전기화학을 공부함에서 있어 수학 때문에 발목이 잡히지는 않을 것 입니다. 

3. 과목이 진로선택에 도움되는 점

A. 전기화학을 공부하는 경우 추후 배터리 관련 일을 할 때 많은 도움을 받을 수 있습니다. 학부 졸업 후 취업이라는 진로를 택할 경우 우리나라 내에서는, 배터리 3사라고 불리 우는 삼성 SDI, SK ON, LG 에너지솔루션 등의 취업 등에 있어 직무적합성을 어느정도 보일 수 있습니다.

B.  만약 자신이 대학원을 진학하여 배터리 개발 및 연구 관련 분야를 하고 싶다면 그에 대한 기초적인 배경지식을 알려줄 수 있기 때문에 이후 대학원 과정에서 전기화학을 듣는데 도움이 될 것이라 생각합니다.

C. 배터리 산업은 기술패권 시대에 국가가 전략적으로 보호해야 할 첨단산업이기 때문에, 우리나라 내에서도 다양한 지원이 있어 발전가능성이 매우 높습니다. 따라서 자신이 화학공학도이지만, 지금 진로를 정확히 설정하지 못한 경우라도 한번쯤은 들으면 도움이 될 것이라고 생각합니다.

4. 맺음말

짧게 요약하면 화학생물공학부의 전기화학 과목은 전기화학실험을 위해서 기초적으로 알아야 하는 전기화학적 현상에 대해 공부하는 것입니다. 기초수준에서 전기화학 반응을 열역학적/속도론적으로 분석하과 이로서 전기화학실험 방법에 대해서 배우는 것이기 때문에 완전히 첨단의 배터리 기술에 대해 다루는 것은 아니지만은, 개인적으로 배터리 분야의 기술연구를 하고 싶은 학생들이, 대학원 과정의 전기화학특론을 듣기 전에 들으면 좋은 과목이라고 생각합니다. 추가로 화학공학도로서 전도유망한 산업에 대한 기초적인 지식을 갖추기 위해 듣는 것 또한 추천합니다.