캐소드
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1. 개요
캐소드는 전기, 화학, 전자공학 등 다양한 분야에서 사용되는 용어로, 전류가 전해질이나 장치를 떠나는 지점 또는 전자가 들어가는 지점을 의미한다. 1834년 윌리엄 휴얼이 마이클 패러데이의 자문을 받아 그리스어 'κάθοδος'에서 유래하여 제안했다. 전위의 높낮이에 따라 양극/음극을 구분하고, 전류의 방향에 따라 애노드/캐소드를 구분하는 견해가 있으며, 캐소드는 진공관이나 전기분해에서는 음극, 전지에서는 양극으로 표현된다. 전자공학에서는 진공관의 열음극과 냉음극, 다이오드 등에서 사용되며, 화학에서는 환원 반응이 일어나는 전극을 의미한다.
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| 캐소드 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 전기화학적 전지에서 환원 반응이 일어나는 전극 |
| 전극 극성 | 전해조에서는 음극, 전지에서는 양극 |
| 전극 반응 | 양이온이 이동하여 전자를 얻음 |
| 상세 정보 | |
| 전해조에서의 역할 | 외부 전원으로부터 전자를 받아 물질을 환원시킴 |
| 전지에서의 역할 | 전지 내부에서 자발적인 환원 반응이 일어나 전자를 내놓음 |
| 음극과의 관계 | 음극과 반대되는 극성을 가지며, 함께 전극 쌍을 형성 |
| 특징 | |
| 전극 물질 | 다양한 금속이나 비금속 재료가 사용됨 |
| 전해액과의 반응 | 전해액 내의 이온과 상호작용하며 전기화학 반응을 일으킴 |
| 전류 방향 | 전극 내부에서는 전자가 음극에서 양극으로 이동 |
| 추가 정보 | |
| 관련 용어 | 양극, 전해질, 산화, 환원, 전류 |
| 활용 분야 | 전지, 전해조, 전기 도금 등 다양한 분야에 활용됨 |
2. 용어 및 어원
마이클 패러데이의 자문을 받아 윌리엄 휴얼이 1834년에 그리스어 κάθοδος (''kathodos'')에서 유래시킨 단어이다. ''kathodos''는 '강하' 또는 '아래로 향하는 길'을 의미한다.[3] 패러데이는 전해전지가 "동쪽에서 서쪽으로, 또는 기억하기 쉽게 태양이 움직이는 방향으로" 전류가 "분해되는 물질"(전해질)을 통과하도록 배향될 때, 음극은 서쪽에 위치하며 전류가 전해질을 떠나는 곳이라고 설명했다.[3] "''kata''는 아래로, ''odos''는 길을 의미하며, 태양이 지는 길"이라고 덧붙였다.[3]
'서쪽'을 '밖으로 향하는' 방향(실제로는 '밖'→'서쪽'→'일몰'→'아래', 즉 '시야에서 사라짐')을 의미하는 것으로 사용한 것은 다소 인위적으로 보일 수 있다. 패러데이는 이전에 "exode"(전류가 나가는 출구)라는 용어를 사용했으나, 전류 방향 규약의 향후 변화에 영향을 받지 않도록 '서쪽 전극'을 의미하는 "cathode"로 변경했다. 그 이유는 당시 전류의 정확한 성질은 알려져 있지 않았고, 지구 자기장 방향은 불변인 것으로 여겨졌기 때문이다.
전자의 발견 이후, 음극(cathode)은 그리스어 ''kathodos'', '아래로 향하는 길', '전자가 들어가는 길(아래로)'에서 유래했다는 기억하기 쉬운 어원이 제시되었다.
2. 1. 명칭 구분
마이클 패러데이의 자문을 받아 윌리엄 휴얼이 1834년 그리스어 κάθοδος (''kathodos'')에서 이 단어를 유래시켰다. ''kathodos''는 '강하' 또는 '아래로 향하는 길'을 뜻한다. 패러데이는 음극이 전류가 전해질을 떠나는 곳이라 설명했다.[3]전자 발견 이후, 음극(cathode)은 그리스어 ''kathodos'', 즉 '아래로 향하는 길', '전자가 들어가는 길(아래로)'에서 유래했다는 어원이 제시되었다.
'''양극'''과 '''음극'''은 전위의 높낮이로 구분하고, '''애노드'''와 '''캐소드'''는 전류 방향으로 구분한다. 전위차를 나타낼 때는 '양극/음극', 전류 방향을 나타낼 때는 '애노드/캐소드' 용어를 쓰는 것이 바람직하다.
진공관이나 전기분해에서 캐소드는 '''음극'''이고, 전지에서는 '''양극'''이다.
'''냉음극'''은 가열하지 않는 금속을 전극으로 쓴 음극을 가리킨다.[12]
2. 2. 어원
마이클 패러데이의 자문을 받아 윌리엄 휴얼이 1834년에 제안한 용어로, 그리스어 'κάθοδος'(kathodos, '아래로 향하는 길' 또는 '강하')에서 유래했다.[3] 패러데이는 전류가 '동쪽에서 서쪽으로, 태양이 움직이는 방향으로' 전해질을 통과할 때, 서쪽에 위치하여 전류가 전해질을 떠나는 곳을 음극이라고 정의했다.[3]'서쪽'을 '밖으로 향하는' 방향으로 표현한 것은 다소 인위적일 수 있지만, 패러데이는 지구 자기장의 방향을 기준으로 전류 방향 규약의 변화에 영향을 받지 않도록 하기 위해 이 용어를 선택했다. 전자의 발견 이후, '전자가 들어가는 길(아래로)'이라는 기억하기 쉬운 어원이 제시되기도 했다.
3. 전하의 흐름
전류는 장치 외부에서 음극에서 양극으로 흐른다(전자는 반대 방향).[1] 장치 내부에서는 양으로 하전된 양이온은 항상 음극으로 이동하고, 음으로 하전된 음이온은 양극으로 이동한다.[1] 하지만 음극의 극성은 장치의 종류와 작동 모드에 따라 달라진다.[1]
- 갈바니 전지 (사용 중인 배터리): 전류가 장치에서 흘러나오는 곳이므로 음극이 양극(+) 단자이다. 전해질에서 양극(+)에서 음극으로 이동하는 양이온에 의해 내부 전류가 운반된다. 외부에서는 배터리로 들어가는 전자에 의해 전류가 지속되며, 이는 외부로 흐르는 양의 전류를 구성한다. (다니엘 전지의 구리 전극은 양극(+) 단자이자 음극)
- 전해 전지 (충전 중인 배터리): 음극은 음극(-) 단자이며, 여기서 전류가 장치를 나와 외부 발전기로 돌아가고 전하가 배터리/전지로 들어간다. (다니엘 전지의 전류 방향을 반대로 하면 전해 전지[1]로 변환되며, 여기서 구리 전극은 양극(+) 단자이자 양극)
4. 화학에서의 음극
전기화학 전지에서 환원 반응이 일어나는 전극을 음극이라고 한다. 음극은 전해질에서 음극으로 흐르는 양이온에 전자를 공급한다.[1] 음극의 극성은 전지의 종류에 따라 달라지는데, 전기 분해 전지에서는 음극이 음전하를 띠고, 갈바니 전지에서는 양전하를 띤다. 이는 갈바니 전지의 양극과 음극 금속/전해질 시스템에서 전해질 용액에 대한 전극 전위가 다르기 때문이다.[1]
전기화학에서 '''음극 전류'''는 음극 계면에서 용액 내의 어떤 종으로 흐르는 전자의 흐름을 의미한다. 전기도금에서는 금속 이온이 환원되어 순수 금속 표면이 음극에 형성된다.[1]
5. 전자공학에서의 음극
진공관 또는 전자 진공 시스템에서 음극은 진공 공간으로 자유 전자를 방출하는 금속 표면이다. 전자는 금속 원자의 양성자 핵에 끌리기 때문에 일반적으로 금속 내부에 머물러 있으며, 이를 떠나려면 에너지가 필요하다. 이것을 금속의 ''일함수''라고 한다.[4]
음극은 여러 가지 메커니즘을 통해 전자 방출을 유도한다.[4]
- '''열전자 방출''': 음극을 가열하면 금속 원자의 열 운동이 증가하여 표면에서 전자가 "튀어나온다".
- '''전계 방출''': 높은 양전압을 가진 전극을 음극 근처에 배치하여 표면에 강한 전기장을 가하면, 양전하를 띤 전극이 전자를 끌어당겨 일부 전자가 음극 표면을 떠나게 된다.[4]
- '''이차 방출''': 충분한 에너지를 가진 전자, 원자 또는 분자가 음극 표면과 충돌하면 표면에서 전자가 튀어나올 수 있다.
- '''광전 방출''': 임계 주파수보다 큰 주파수의 빛이 특정 금속의 전극에 닿으면 전자가 방출될 수 있다.
(하위 섹션 "진공관"과 "다이오드"에서 자세한 내용을 다루고 있으므로, 여기서는 간략하게 내용을 요약하고, 중복을 피함)
5. 1. 진공관
진공관 또는 전자 진공 시스템에서 음극(캐소드)은 진공 공간으로 자유 전자를 방출하는 금속 표면이다. 전자는 금속 원자의 양성자 핵에 끌리기 때문에 일반적으로 금속 내부에 머물러 있으며, 이를 떠나려면 에너지가 필요하다. 이것을 금속의 ''일함수''라고 한다.[4] 음극은 여러 가지 메커니즘을 통해 전자 방출을 유도한다.[4]
- ''열전자 방출'': 음극을 가열하면 금속 원자의 열 운동이 증가하여 표면에서 전자가 "튀어나온다". 이 효과를 열전자 방출이라고 하며, 대부분의 진공관에서 사용된다.
- ''전계 방출'': 높은 양전압을 가진 전극을 음극 근처에 배치하여 표면에 강한 전기장을 가하면, 양전하를 띤 전극이 전자를 끌어당겨 일부 전자가 음극 표면을 떠나게 된다.[4] 이 과정은 냉음극을 사용하는 일부 전자 현미경[5][6][7]과 마이크로전자 제작[6]에서 사용된다.
- ''이차 방출'': 충분한 에너지를 가진 전자, 원자 또는 분자가 음극 표면과 충돌하면 표면에서 전자가 튀어나올 수 있다. 이러한 전자를 ''이차 전자''라고 하며, 네온등과 같은 방전등에서 사용된다.
- ''광전 방출'': 임계 주파수보다 큰 주파수의 빛이 특정 금속의 전극에 닿으면 전자가 방출될 수 있다. 이 효과를 광전 방출이라고 하며, 생성된 전자를 ''광전자''라고 한다.[4] 이 효과는 광전관과 상증폭관에서 사용된다.
5. 2. 다이오드
반도체 다이오드에서 캐소드(음극)는 p-n 접합의 n형 도핑된 영역이다. 이 영역에는 도핑으로 인해 높은 밀도의 자유 전자가 존재하며, 열적으로 이온화된 도펀트와 동일한 밀도의 고정된 양전하도 존재한다. 양극에서는 반대로 높은 밀도의 자유 정공과, 전자를 포획하여 정공이 생성된 자리에 고정된 음전하 도펀트가 존재한다.
P형과 N형 도핑된 층이 서로 인접하게 생성될 때, 확산으로 인해 전자는 고밀도 영역(N쪽)에서 저밀도 영역(P쪽)으로 흐른다. 전자는 접합부 근처에 고정된 양전하를 띤 도펀트를 남긴다. 마찬가지로, 정공은 P쪽에서 N쪽으로 확산되어 접합부 근처에 고정된 음이온화된 도펀트를 남긴다. 이러한 고정된 양전하와 음전하 층은 자유 전자와 정공이 없어졌기 때문에 고갈층이라고 불린다. 접합부의 고갈층은 다이오드의 정류(整流) 특성을 일으킨다. 이는 내부 전계와 이에 따른 전위 장벽으로 인해 역방향 바이어스에서 전류 흐름을 억제하고 내부 고갈층 전계를 증가시키기 때문이다. 반대로, 순방향 바이어스에서는 인가된 바이어스가 내부 전위 장벽을 감소시키므로 전류 흐름을 허용한다.
캐소드에서 P형 도핑된 층(양극)으로 확산되는 전자는 소수 캐리어라고 불리며, 그곳에서 다수 캐리어인 정공과 재결합하는 경향이 있다. 재결합 시간은 P형 소수 캐리어 수명을 특징으로 하는 재료에 따라 달라진다. 마찬가지로, N형 도핑된 층으로 확산되는 정공은 소수 캐리어가 되어 전자와 재결합하는 경향이 있다. 평형 상태에서, 인가된 바이어스가 없으면, 고갈층을 가로질러 반대 방향으로 전자와 정공의 열적으로 보조되는 확산은 전자가 음극에서 양극으로 흘러 재결합하고, 정공이 접합부 또는 고갈층을 가로질러 양극에서 음극으로 흘러 재결합함으로써 순 전류가 0이 되도록 한다.
일반적인 다이오드와 마찬가지로, 제너 다이오드에도 고정된 양극과 음극이 있지만, 항복 전압 또는 "제너 전압"을 초과하면 역방향으로 전류를 전도한다(전자가 양극에서 음극으로 흐름).
6. 한국 사회에서의 음극 관련 논쟁
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참조
[1]
웹사이트
Electrolyte solutions
http://hyperphysics.[...]
[2]
논문
Faraday consults the scholars: the origins of the terms of electrochemistry
1961-11-01
[3]
서적
Experimental Researches In Electricity
http://www.gutenberg[...]
The University of London
[4]
서적
A Textbook Of Engineering Physics For B.E., B.Sc.
https://books.google[...]
S. Chand
1992
[5]
백과사전
Field emission
https://www.britanni[...]
Encyclopædia Britannica, Inc.
2014
[6]
서적
Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics, Vol. 1
https://books.google[...]
Academic Press
2004
[7]
서적
Light and Light Sources: High-Intensity Discharge Lamps
https://books.google[...]
Springer
2007
[8]
서적
The Electronics Handbook, 2nd Ed.
https://books.google[...]
CRC Press
2013
[9]
웹사이트
Vacuum tube electrodes
http://www.radio-ele[...]
Radio-Electronics.com, Adrio Communications
2012
[10]
서적
A Practical Introduction to Electronic Circuits
https://books.google[...]
Cambridge Univ. Press
1995
[11]
서적
Microwave Active Devices Vacuum and Solid State
https://books.google[...]
New Age International
2006
[12]
웹사이트
冷陰極
https://kotobank.jp/[...]
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