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전기 화학적 임피던스 분광학
 
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전기 화학적 임피던스 분광학

Overview

출처: 카라 잉그라함, 재러드 맥커첸, 테일러 D. 스파크스,재료 과학 및 공학부, 유타 대학교, 솔트레이크시티, UT

전기 저항은 전기 회로 소자의 전기 흐름에 저항하는 능력입니다. 저항은 옴의 법칙에 의해 정의됩니다 :

Equation 1(방정식 1)

전압은 어디에 Equation 2 있으며 Equation 3 전류입니다. 옴의 법칙은 이상적인 저항자의 저항을 결정하는 데 유용합니다. 그러나 많은 회로 요소는 더 복잡하며 저항만으로는 설명할 수 없습니다. 예를 들어, 교대 전류(AC)를 사용하는 경우 저항성은 종종 AC 신호의 주파수에 따라 달라집니다. 저항만 사용하는 대신 전기 임피던스는 회로 요소의 전기 흐름에 저항하는 능력을 보다 정확하고 일반화할 수 있는 척도입니다.

가장 일반적으로 전기 임피던스 측정의 목표는 저항, 정전 용량 또는 유도와 같은 다른 메커니즘의 기여로 샘플의 총 전기 임피던스를 감소시키는 것입니다.

Principles

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전기화학적 임피던스 분광기(EIS) 동안 AC 전압은 상이한 주파수에서 샘플에 적용되고 전류가 측정됩니다. AC 전류 임피던스 Equation 4 () Equation 5 오름의 법칙에서 저항 ()을 대체합니다. 원래 AC 신호가 부비동성인 경우 선형 응답은 생성된 전류가 부비동성일 뿐만 아니라 위상으로 이동된다는 것을 의미합니다. 전압 및 전류의 주파수 및 위상 이동을 고려하면 Euler의 관계와 실제 구성 요소와 가상 구성 요소가 모두 있는 복잡한 숫자를 활용하여 가장 쉽게 수행할 수 Equation 4 있습니다. 이를 통해 회로의 다양한 구성 요소에 대한 임피던스 방정식을 작성할 수 있습니다.

1.저항기:     Equation 6 (방정식 2)

2.커패시터: Equation 7 (방정식 3)    

3.인덕터:   Equation 8 (방정식 4)

Equation 9AC 전류의 주파수는 어디에, Equation 10   커패시턴스이며, Equation 11   유도이며, Equation 12 가상 의 단위이다. 이러한 방정식에서 저항자로 임피던스는 주파수와 무관하다는 것을 알 수 있습니다, 커패시터로 주파수에 반비례, 인덕터로 직접 관련 주파수.

나이퀴스트 플롯은 y축에 가상 성분과 x축의 실제 구성 요소를 플로팅하여 전기 임피던드에 대한 주파수 응답에서 생성됩니다. 계측기는 샘플에 교대장 전압을 적용하고 현재 응답을 측정합니다. 임피던스의 실제 및 가상 구성 요소는 서로 다른 주파수에서 진폭의 위상 변화와 변화를 결정하여 계산됩니다. 이 예제는 그림 1에 표시됩니다. 그런 다음 이 플롯은 샘플의 임피던스를 가장 잘 나타내는 회로 모델을 빌드하는 데 사용됩니다.

Figure 1
그림 1: 적용된 전압과 측정된 전류 사이의 위상 이동을 표현합니다.

가장 간단한 나이퀴스트 플롯 중 하나는 그림 2에서 볼 수 있는 반원의 플롯입니다. 도 2의 플롯은 일련의 저항기로 표시되며 저항기와 커패시터가 병렬로 표시됩니다. 다른 물리적 프로세스는 회로 모델의 요소에 해당합니다. 예를 들어, 전기 이중 층은 커패시터에 해당합니다. 그림 2에서, Nyquist 플롯은 Randle 셀에 의해 가장 잘 모델링되는 것을 표시합니다. 이것은 나이퀴스트 플롯의 해석을위한 일반적인 출발점입니다. Nyquist 플롯이 완료되면 소프트웨어를 사용하여 데이터를 모델링할 수 있는 동등한 회로 모델을 제공합니다. Nyquist 플롯이 컴퓨터로 생성된 핏에 잘 맞지 않으면 데이터에 맞게 자체 회로를 빌드할 수 있습니다. 그러나 이것은 복잡한 작업일 수 있습니다. 간단하게 시작하고 거기에서 구축하는 것이 중요합니다. 또한 비현실적인 모델을 빌드하지 않도록 테스트중인 샘플에 대해 알고 있는 내용에 따라 사실적인 상태를 유지하는 것도 중요합니다. 우선 첫 번째 점이 실제 축에 있는 경우 일반적으로 저항기로 모델링됩니다. 곡선을 따라 이동할 때 회로 요소를 추가하거나 제거하여 더 잘 맞을 수 있습니다.

Figure 2
그림 2: 간단한 나이퀴스트 플롯과 그에 상응하는 랜들 셀 모델의 이미지입니다.

이 실험에서 모델링할 개념은 EIS로 샘플을 테스트하고 나이퀴스트 플롯을 사용하여 관찰된 임피던스 데이터를 나타낼 수 있는 모델 회로를 구축하는 방법입니다. 실험의 첫 번째 부분에서는 소프트웨어가 쉽게 인식할 수 있는 알려진 회로 모델을 생성하는 제어 샘플을 실행하는 방법을 시연합니다. 두 번째 부분의 경우 실험 샘플을 테스트하는 방법을 시연하고 소프트웨어를 다시 사용하여 샘플의 전기 임피던스 모델인 모델 회로를 생성할 수 있습니다.

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Procedure

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  1. 테스트 모듈을 획득하고 두 개의 전극을 통해 EIS 계측기까지 연결합니다. 그림 3에그림이 찍된 테스트 모듈은 간단하고 알려진 회로를 모델링하는 데 사용할 수 있는 데이터를 제공합니다. 전선이 기계에 올바르게 연결되고 모든 기계 부품이 작동하는지 확인하는 데 사용할 수 있습니다.

Figure 3
그림 3: 테스트 모듈.

  1. 샘플을 통해 전류가 흐르기 시작하려면 컴퓨터에서 Zplot 소프트웨어를 엽니다. 이 소프트웨어에서 필요에 따라 샘플에 대한 매개 변수를 설정할 수 있습니다. 테스트 모듈에서 테스트를 실행할 때 "편광"에서 DC 잠재력을 0으로 설정하고 AC 진폭을 10mV로 설정하고 드롭 다운 화살표가 "대 Open Circuit"이라고 말했는지 확인합니다. "주파수 스윕"섹션에서 초기 주파수를 1x10^6Hz, 최종 주파수를 100Hz로 설정하고 간격을 10으로 설정합니다. 또한 "로그자리믹"과 "단계 / 10 년"을 선택합니다. 그런 다음 "좋아요"를 눌러 새로운 읽기를 시작합니다.
  2. Zview 소프트웨어를 열어 결과를 봅니다. 플롯할 z'와 z'를 선택합니다. 결과는 음수 축에 표시되며 양축에 표시하여 -1로 곱합니다. 측정한 다음 "스윕"을 클릭하여 측정된 z' 및 z'값을 가져옵니다. 그림 2에서볼 수 있듯이 이러한 측정값을 테스트 모듈 전면에 있는 예상 값과 비교합니다. 값이 일치하는 경우 4단계를 계속합니다. 그렇지 않은 경우 모든 배선 및 장비를 확인하여 모든 것이 연결되어 있고 제대로 작동하는지 확인하십시오.
  3. 테스트 모듈에서 전극을 분리합니다.
  4. 샘플을 준비; 데모를 위해 도 4에표시된 어셈블리에 넣어 시판되는 베타 알루미나를 사용할 것입니다. 후드 연기에 있는 튜브 용광로에이 어셈블리를 삽입합니다. EIS 테스트는 일반적으로 특정 시간 프레임에 걸쳐 다양한 진폭(또는 전압) 및 온도로 실행되므로 이 설정이 필요합니다. 단순화를 위해 실온에서만 이 실험을 진행할 예정입니다.

Figure 4
그림 4: 샘플이 삽입되는 어셈블리입니다.

  1. 도 5와같이 전극을 어셈블리에 부착합니다.

Figure 5
그림 5: 전극이 부착 된 후드 연기에서 샘플 어셈블리.

  1. Zplot 소프트웨어를 열고 매개 변수를 설정합니다. 이 실험의 경우 매개 변수는 2단계와 동일합니다.
  2. 단계 3과 동일한 절차를 사용하여 플롯을 가져옵니다(z' 및 z'값을 테스트 모듈과 비교할 필요가 없습니다 제외). 플롯을 저장합니다.
  3. "즉시 맞춤" 버튼을 클릭하고 반원에 맞게 두 점을 선택합니다. 소프트웨어를 사용하여 가장 적합한 회로 모델을 선택합니다.

전기 임피던스 분광기 사용되는 강력한 기술입니다. 재료 특성화 그들이 방해하는 방법에 따라 전기의 흐름 미생물학과 같은 다양한 응용 분야에서 및 내식성. 샘플의 전기 전도도 메이크업에 기초 모든 구성 요소 샘플의. 이 때문에 EIS도 사용할 수 있습니다. 변경 내용을 감지하려면 수량 또는 구조 각 구성 요소의. EIS는 적용하여 수행됩니다. 작은 부비동 전기 부하 샘플에 연결된 전극 을 가로 질러 주파수의 넓은 범위에서. 측정된 응답에 기초하여, 임피던스는 각 주파수. 컴퓨터 소프트웨어는 다음 결과를 플롯하는 데 사용 동등한 회로 모델을 구축하고 대표 관찰된 데이터의. EIS 사용의 일반적인 목표 샘플의 분해 총 전기 임피던스 기부금으로 저항과 같은 메커니즘, 커패시턴스 또는 유도. 이 비디오는 설명합니다. 원칙과 절차 EIS에 참여하여 재료의 임피던스. 또한 만드는 방법을 보여줍니다. 샘플의 동등한 회로 모델.

전기 저항은 회로 요소의 능력 전기의 흐름에 저항합니다. 그리고 옴의 법칙은 저항을 정의 전압이 전류로 분할됩니다. 그러나 AC 전류를 다룰 때는 전기 임피던스는 더 정확합니다. 능력의 일반적인 측정 전기의 흐름에 저항합니다. 왜냐하면, 또한 재료의 저항, 그것은 에 대 한 계정 메커니즘의 기여, 커패시턴스 및 유도와 같은. 적용된 AC 신호가 부비동시이드인 경우 응답은 선형이며, 현재 생산 또한 부비동이드, 그러나 단계적으로 이동. 주파수 및 위상 시프트 임피던스 방정식을 구축할 수 있습니다. 회로의 구성 요소에 대한 오일러의 관계 사용 복잡한 숫자. 이러한 모델은 데이터를 해석하는 데 사용됩니다. 임피던스를 보여 저항기의 주파수와 는 별개로, 반대로 관련 커패시터의 빈도, 인덕터의 빈도. EIS 테스트 중에 계측기가 적용됩니다. 시료에 번갈아 가는 필드 전압 현재 응답을 측정합니다. 현실과 가상 임피던스 구성 요소 계산됩니다. 위상 이동 결정 진폭의 변화 다른 주파수에서. 나이퀴스트 플롯이 생성됩니다. 가상을 플로팅하여 Y 축의 구성 요소 X 축의 실제 구성 요소입니다. 가장 단순한 나이퀴스트 중 하나 플롯은 반원입니다. 그런 다음 플롯이 사용됩니다. 회로 모델을 빌드하려면 가장 좋은 것은 샘플의 임피던스. 모델링 중 물리적 프로세스 회로의 요소에 해당합니다. 예를 들어, 전기 이중 층 커패시터에 해당합니다. 이 플롯에 대한 동등한 회로 모델 시리즈의 저항기로 표현됩니다. 저항기와 커패시터를 병렬로 장착합니다. 이것은 일반적인 시작 장소입니다 나이퀴스트 플롯의 해석을 위해. 소프트웨어는 당신을 제시합니다 동등한 회로 모델 나이퀴스트 플롯에 따라 선택할 수 있습니다. 이러한 모델이 데이터에 맞지 않는 경우 수동으로 모델링할 수 있습니다. 데이터에 맞게 회로, 복잡한 작업입니다. 다음 섹션에서는 우리는 당신에게 방법을 보여줍니다 제어 샘플 테스트 EIS를 갖춘 실험 샘플 동등한 회로를 구축한 다음 관찰된 임피던스 데이터를 나타냅니다.

EIS 계측기와 테스트 모듈을 수집합니다. 테스트 모듈을 연결합니다. EIS 계측기로 두 개의 전극을 통해 모델링 간단한 알려진 회로. 컴퓨터에서 ZPlot 소프트웨어 열기 테스트 모듈의 매개 변수를 설정합니다. DC 잠재 잠재력을 0으로 설정, AC 진폭은 10 밀리볼트로, 그리고 드롭 다운 화살표 회로를 열지 에 대 합니다. 초기 주파수를 하나로 설정 10번은 6헤르츠에 전원을 공급하고, 최종 주파수에서 100 헤르츠까지, 및 간격을 10으로 합니다. 10년당 로그와 단계를 선택합니다. 측정한 다음 스윕하여 새 녹음을 시작, 데이터 수집을 시작합니다. 측정된 값과 예상 값 비교 테스트 모듈의 전면에 있습니다. 값이 일치하지 않으면 배선 및 장비 확인, 다시 테스트합니다. 베타 알루미나 샘플 획득 조립에 넣습니다. 연기 후드에서 작업, 어셈블리를 튜브 용광로에 삽입합니다. 전극을 부착합니다. ZPlot 소프트웨어 열기 동일한 매개 변수 유지 테스트 모듈에 사용 측정을 누릅니다. ZView 소프트웨어 열기 결과를 보려면 테스트 모듈에 대해 했던 것처럼. 플롯을 저장합니다. 세미 서클에 맞게 두 점을 선택합니다. 그런 다음 인스턴트 핏 버튼을 누릅니다. 최고를 선택하려면 동등한 회로 모델. 단순화를 위해, 우리는이 실험을 실행 실온에서. EIS 테스트는 일반적으로 다양한 진폭 또는 전압 온도뿐만 아니라.

이제 결과를 살펴보겠습니다. EIS의 결과는 나이퀴스트 플롯에 제시 실제 임피던스 표시 복잡한 임피던스 대 각 주파수에서 테스트했습니다. 여러 회로 옵션 데이터를 모델링하기 위해 가장 간단한 모델을 선택하는 것이 가장 좋습니다. 이는 여전히 데이터를 정확하게 반영합니다. 다음으로, 동등한 회로를 선택합니다. 결과 데이터를 사용하여 샘플의 전도도도. 선형 선에 데이터를 장착할 수도 있습니다. 전도도에 대한 방정식을 사용. 찾은 값 사용 이 샘플에 대한 반복 테스트를 통해 전도도 1.67 밀리시멘미터 퍼센트 계산됩니다. 에 비해 보고된 전도도 값 약 4.1의 밀리시멘스 퍼센트 센티미터. 이는 우리가 선택한 모델은 좋았습니다. 완벽 하지 는 않지만.

이제 방법을 주셔서 감사합니다. 임피던스 측정 및 모델링 전기 화학 을 사용하여 임피던스 분광기, 의 일부를 살펴 보자 이 도구의 응용 프로그램입니다. EIS를 사용하여 샘플의 미생물. 박테리아가 샘플에서 자랄 때 그것은 전기를 변경할 수 있습니다 샘플의 전도도도. 이 때문에 EIS는 임피던스 측정에 사용 인구 증가를 결정합니다. 이 기술은 알려져 있습니다. 임피던스 미생물학으로. EIS는 또한 페인트 및 부식 예방 산업. 전기 저항 전원에 10 미만의 6 옴센티미터 광장 전기 화학 공정 그 공격은 매일 표면. EIS 테스트는 내식 성 성분 사용할 재료의 가혹한 환경에서, 수십억 달러 절감 매년 수리 미국에서만.

당신은 조브의 소개를 보았다 전기 화학 적 임피던스 분광기에. 이제 이해해야 합니다. 테스트 하고 모델링하는 방법 임피던스 특성 재료의. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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EIS의 결과는 종종 나이퀴스트 플롯에 제시되며, 이는 테스트된 각 주파수에서 복잡한 임피던스 대 실제 임피던스를 보여줍니다. 실행된 실험의 플롯은 그림 6에서볼 수 있습니다.

Figure 6
그림 6: 나이퀴스트 플롯이 얻은 후 컴퓨터의 스크린 샷. 

절차의 9 단계에서 볼 수 있듯이, 소프트웨어는 당신에게 데이터를 모델링 할 회로의 옵션을 제공합니다. 데이터를 정확하게 반영하는 가장 간단한 모델을 선택하는 것이 가장 좋습니다. 데이터를 모델링하기 위해 올바른 회로를 선택하는 것은 역문제입니다. 모델 회로 생성에 도움이 될 수 있는 소프트웨어 패키지가 존재하지만 이 분석 중에 주의해야 합니다.

동등한 회로를 선택하면 결과 데이터를 사용하여 샘플의 전도도를 계산할 수 있습니다. 전도도를 계산하는 한 가지 방법은 y축에서 x축 및 로그(σT)에 1000/T를 플롯하는 Arrhenius 모델을 사용하여 EIS의 데이터를 플롯하는 것입니다. 데이터는 다음 방정식을 사용하여 선형 선에 장착할 수 있습니다.

Equation 13    (방정식 5)

Equation 14우리의 샘플은 374 S /cm *K및E,활성화 에너지, 0.17 eV, T = 298 K. 이러한 값에 연결, 우리는 1.67 x 10-3 S / cm의 전도도를 계산했다. 이 샘플을 가진 이전 실험은 약 4.1 x 10-3 S/cm로 그것의 전도도를 보고했습니다. 이는 우리가 선택한 모델이 완벽하지는 않지만 적합하다는 것을 나타내는 계산된 전도도 값과 상당히 유사합니다.

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Applications and Summary

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전기 화학 적 임피던스 분광기는 새로운 재료 또는 장치가 전기의 흐름을 방해하는 방법을 결정하는 유용한 도구입니다. 샘플에 연결된 전극을 통해 AC 신호를 적용하여 이를 수행합니다. 데이터는 복잡한 일반에서 컴퓨터에 의해 수집되고 플롯됩니다. 소프트웨어의 도움으로 그래프는 회로의 특정 부분을 모델링할 수 있습니다. 이 데이터는 종종 매우 복잡할 수 있으며 신중한 분석이 필요합니다. 이 기술은 복잡하지만 전기 임피던스의 실제 복잡성을 심문하는 매우 유용한 비파괴적 수단이며, 샘플에 적용될 때 AC 전류가 어떻게 행동하는지에 대한 유용한 모델을 제공할 수 있습니다.

EIS는 샘플에서 미생물을 보는 데 사용할 수 있습니다. 박테리아가 시료에서 자랄 때, 시료의 전기 전도도를 바꿀 수 있다. 이 아이디어를 사용하여, 당신은 미생물의 인구를 결정하기 위해 한 주파수에서 샘플의 임피던스를 측정 할 수 있습니다. 이 기술은 임피던스 미생물학으로 알려져 있습니다.

EIS는 또한 조직 전기 임피던스로 알려진 조직에서 암을 검사하는 데 사용할 수 있습니다. 신체 조직의 전기 임피던스는 구조에 의해 결정됩니다. 시간이 지남에 따라 저하됨에 따라 전류도 변합니다. 임피던스 미생물학과 마찬가지로, 임피던스 테스트의 이 모형은 세포의 인구를 보고 세포 히스 와 형태학에 관하여 유용한 정보를 제공할 수 있습니다.

EIS는 또한 페인트 및 부식 방지 산업에서 사용되어 재료 표면에 층이 얼마나 잘 적용되는지 결정합니다. EIS 데이터는 표면을 공격하는 매일 전기 화학 공정에 잘 대응합니다. 저항성이 Equation 15 높은 재료뿐만 아니라 부식으로부터 보호할 수 없는 전기저항을 보이는 재료. EIS는 새로운 표면 처리가 그들을 재현할 필요 없이 가혹한 환경에서 어떻게 공평할 지 예측하는 도로입니다, 그렇지 않으면 수리에 미국 수십억 달러를 요할 부식의 예방에 귀중한 공구 만들기.

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