캐소드
캐소드(cathode)는 전자공학, 물리학, 화학 등에서 전극 중 전자가 흘러들어가는 쪽의 전극을 의미한다. 전류와 전자의 흐름의 방향은 서로 반대이므로, 캐소드는 전극 중 전자가 흘러 들어가는 쪽, 즉 전류가 흘러나오는 쪽 의 전극을 의미한다. 일반적으로 양극(혹은 음극)으로 번역되지만, 어떤 분야, 또 어떤 환경에서 사용되었는가에 따라 양극을 의미하기도 하고 음극을 의미하기도 한다. 일반적으로 전력을 소모하는 부품이나 장비의 경우 캐소드는 음극이 되며, 전력을 생산하거나 공급하는 부품 및 장비에서는 캐소드가 양극이 된다. 배터리에서는 캐소드가 양극이 된다.
캐소드의 반대말은 애노드(anode)로서, 전류가 흘러 들어가는 쪽의 전극을 의미한다. 역시 양극 혹은 음극이라 번역되지만, 상황에 따라 다르게 해석된다. 비슷한 용어로서, 다이노드(dynode)는 광전 증폭관에서 캐소드와 어노드 사이에 존재하는 여러 전극을 지칭한다. 전류의 흐름으로 정의하면 캐소드는 '환원전극'이고 애노드는 '산화전극'이다.
개요[편집]
캐소드와 애노드는 전기화학의 아버지라 불리는 패러데이(M. Faraday)가 작명을 한 것으로 알려져 있다. 전지 혹은 전기분해 용기(cell)에는 전극이 쌍으로 사용된다. 2개의 전극 각각에서 진행되는 산화 혹은 환원 반응은 상황에 따라 달라진다. 이에 따라 전극에서 진행되는 반응을 구별하고 설명하는 방편으로 전극을 캐소드, 애노드라 불렀다.
일반적으로 어떤 실험 조건에서든 전극에서 환원반응이 진행되면, 그 전극의 이름을 캐소드(cathode)라고 하며, 전극에서 산화반응이 진행되면, 그 전극은 애노드(anode)라 한다.
한편 관례에 따라서 직류 전류(DC current)는 양극(positive electrode)에서 음극(negative electrode)으로 흐른다(전자(electron)는 음극에서 양극으로 흐른다). 양극(陽極)은 플러스를 의미하는 양(陽, +)과 전극(電極)을 의미하는 극(極)이 합쳐진 합성어이며, 양극의 전위는 음극보다 높다. 또한 음극(陰極)은 마이너스를 의미하는 음(陰)과 전극(電極)의 극(極)이 합쳐진 합성어이며, 음극의 전위는 양극보다 낮다.
결국 양극·음극은 전극의 극성(혹은 전위차)을 구분하기 위해서 사용되는 용어이며, 캐소드·애노드는 전극에서 진행되는 반응(즉, 산화환원)을 구분하기 위해서 사용되는 용어이다.
전지에서 진행되는 산화환원반응[편집]
- 전지를 방전할 때 양극은 캐소드 음극은 애노드
전지는 자발적으로 산화 환원 반응이 진행되어 전기에너지를 생산하는 도구이다. 전지의 한 전극에서 화학물질이 산화되면 혹은 전극 자체가 산화되면 전자(electron)가 생성된다. 그 전자들은 전극 외부로 연결된 도선을 따라서 쌍을 이루고 있는 또 다른 전극으로 흐른다. 그러므로 또 다른 전극에서는 전자가 유입되면서 전극에서 화학물질이 환원되거나 혹은 전극 자체가 환원된다.
전자는 음극에서 양극으로 흐르므로 결국 산화반응이 진행된 애노드에서 환원반응이 진행된 캐소드로 흐른다. 그러므로 애노드가 음극, 캐소드가 양극이 된다. 이런 종류의 자발적인 산화 환원 반응은 1차전지 혹은 2차전지 내부에서 전지를 사용할 때(방전할 때) 진행된다.
- 전지를 사용할 때. 양극이 캐소드, 음극이 애노드이다.
- 전지를 충전할 때 : 양극은 애노드, 음극은 캐소드
1차전지는 다 사용하고 나면 버리고 더 이상 충전을 하지 않는다. 그러나 2차전지는 충전을 해서 재사용한다. 충전할 경우에는 외부전원(power supply)의 음극을 전지가 방전할 때 음극이었던 전극에, 외부 전원의 양극을 전지가 방전할 때 양극이었던 전극에 연결한다. 즉, 방전할 때 음극은 충전할 때 음극으로, 방전할 때 양극은 충전할 때 양극으로 연결되므로 전극의 극성은 변함이 없다. 그러나 충전할 때 각 전극에서 진행되는 산화 환원 반응은 방전할 때와는 정반대로 진행된다. 즉 음극과 연결된 전극에서 환원반응이 진행되어, 음극이 캐소드가 되고, 양극에 연결된 전극에서 산화반응이 진행되어, 양극이 애노드가 된다. 전기에너지를 생산하는 방전과는 달리 충전은 전기에너지를 소비하는 경우이다. 그러므로 전기에너지를 사용하여 화학반응을 진행하는 전기분해의 경우에도 용기(cell)에 담가있는 전극에서도 전지를 충전할 때와 같은 산화 환원 반응이 진행되는 것이다.
- 전지를 충전할 때, 양극이 애노드, 음극이 캐소드
캐소드=음극, 애노드=양극이 아니다.
전지가 방전할 때 음극은 애노드(산화반응이 진행되는 전극)이고, 충전할 때 음극은 캐소드(환원반응이 진행되는 전극)이다. 또한 방전할 때 양극은 캐소드이지만, 충전할 때 양극은 애노드이다. 전지를 충전한다는 것은 전자를 방출했던 전극에 전자를 다시 공급하여 환원반응이, 전자가 유입되었던 전극에서 전자를 다시 빼내어 산화반응이 진행되도록 하는 것이다. 그러므로 충전으로 인해서 산화 환원 반응이 완결되면 전지 내부에 있는 화학물질들은 전지를 사용하기 전 상태와 같게 되고, 방전을 시작하면 다시 전기에너지를 얻을 수 있는 것이다.
전기화학 이외의 분야에서도 또한 캐소드와 애노드라는 전극 명칭을 사용한다. 예를 들어서 기구(device) 혹은 기기에서 외부전원의 음극에 연결되어 전자를 방출하는 전극을 캐소드라 한다. 그러므로 그 경우에는 쌍이 되는 전극은 양극 혹은 애노드라 부른다. 그렇지만 앞선 설명처럼 전지의 충/방전의 경우처럼 음극은 산화반응이 진행되어 애노드가 될 때도 있지만, 환원반응이 진행되어 캐소드가 될 때도 있다. 반대도 마찬가지다. 음극을 캐소드라고만 해도 안되며, 그것에 쌍을 이루는 양극을 애노드라고만 불러도 안 되는 이유가 바로 이것이다.
이것을 방위를 가르키는 상황과 비유해 보면 다음과 같다. 방위인 동 혹은 서를 말할 때 동과 서의 위치는 사람들이 바라보는 방향에 무관하고 항상 일정하다. 그러나 동쪽을 말할 때 북쪽을 향한 사람은 오른쪽이 동이 되지만, 남쪽을 향한 사람은 왼쪽이 동쪽이 된다. 동쪽은 변함이 없지만, 사람들이 어떤 쪽을 향해 서 있는지에 따라 동쪽이 오른쪽 혹은 왼쪽이 될 수 있는 것이다. 음극-양극, 캐소드-애노드도 동서와 좌우가 다른 개념인 것과 마찬가지다. 오른손이 가리키는 방향이 항상 서쪽은 아니다
그간 캐소드-애노드, 음극-양극은 여러 문헌에 다양한 용어 혼란이 있었다. 이는 캐소드(cathode)를 음극으로 번역하면서 혼란이 시작된 것이다. 캐소드(cathode)를 음극이라고 고정시켜 놓았으니, 그에 대응되는 애노드는 양극이라 부르고, 그렇게 하다 보니 negative 혹은 positive electrode를 각각 음극 혹은 양극이라고 부를 수 없는 상황에 처한 것이다.
플러스·마이너스 대신 정(正)·부(負)를 써서 정극 혹은 부극이라고 부르는 경우도 있다. 정극 부극은 주로 일본 문헌을 번역하는 과정에서 한자 발음대로 우리말로 표기한 것으로 짐작할 수 있다. 그렇지만 정극-부극을 캐소드-애노드에 대응하거나 혹은 정극-부극을 양극-음극에 대응하여 사용하는 경우도 흔히 있었다. 그러므로 글을 읽은 사람이 혼란에 빠지지 않고서 내용을 이해하기가 어려운 상황이 되고 만 것이다.[1]
- 건전지의 경우, 전류가 흘러나오는 곳은 양극이므로, 캐소드는 양극을 의미한다. 반대로 어노드는 음극을 의미한다.
- 전자 부품인 다이오드의 경우 전류가 쉽게 흘러나가는 쪽, 즉 음극이 캐소드이다. 다이오드를 전자 부품 기호로 표시하면 화살표가 지시하는 쪽이 캐소드이다. P-N 반도체 접합의 경우 N 형 반도체쪽이 캐소드이다.
- 화학 및 전기화학에서는 환원이 일어나는 쪽 전극이 캐소드이다. 이 경우, 전기 분해 과정에서는 음극과 같고, 전력 생산 과정에서는 양극과 같다.
- 물리학 및 전자공학에서는 장비 및 부품 내부로 전자가 흘러들어가게 하는 전극을 캐소드라 부른다. 이는 전류가 흘러나오는 방향과 동일하다.
- 전자 부품인 진공관의 경우 자유전자를 방출하는 음극이 캐소드이다.
- 음극 선관, 즉 CRT(Cathode Ray Tube)는 그 명칭이 의미하듯, 캐소드에서 나오는 전자를 굴절시켜 화상을 만드는 장비인 것이다. 전자는 음극 선관의 필라멘트에서 만들어지고, 이것이 캐소드이다. 방출된 전자는 애노드를 통과하면서 가속된다. 가속에 필요한 전기장이 형성되어야 하므로, 애노드는 양극이고, 캐소드는 음극이다.
- 광전효과에서 캐소드도 일정 주파수 이상의 빛을 받아 자유전자를 방출하는 음극이 캐소드라 불린다.
리튬이온 배터리 캐소드[편집]
리튬 이온 배터리를 방전시키는 경우 흑연 내부에 삽입된 리튬 양이온(Li+이온)이 탈리되어 전해질을 따라 리튬 코발트 산화물(LiCoO2) 전극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 따라 리튬 코발트 산화물 전극으로 이동한다. 전류의 방향은 전자의 이동방향과 반대이기 때문에 전류는 리튬 코발트 산화물 전극에서 흑연 전극으로 흐른다. 여기서 Li+ 이온 즉 양이온을 잡아당기는 리튬 코발트 산화물 전극은 위의 정의에 따라 캐소드(Cathode)라고 할 수 있고 전류의 방향을 고려해 보아도 외부 회로로 전류가 흘러 들어오는 흑연 전극이 애노드(Anode)라고 할 수 있다. 다시 말하면 리튬 이온 배터리의 방전 시 캐소드는 +극을 가지는 리튬 코발트 산화물 전극이며 애노드는 극을 가지는 흑연 전극임을 이해할 수 있다.
이제 이와 반대인 충전 또는 전기분해 상황을 들어 설명해보면 방전과 달리 충전 시에는 외부에 전원(배터리)이 있으며 지금 충전하고 있는 배터리를 일종의 외부 회로로 생각할 수 있다. 충전 과정에서 리튬 코발트 산화물의 리튬 양이온(Li+)은 배터리 내 전해질을 통해 다시 흑연으로 이동하여 삽입되기 때문에 배터리 내부의 전류 방향은 Li+의 이동 방향과 같은 리튬 코발트 산화물 전극에서 흑연 전극으로 흐른다고 생각할 수 있다. 이 전류는 외부 도선을 따라 흑연 전극에서 리튬 코발트 산화물 전극으로 흐른다. 앞서 Cathode와 Anode의 정의에 의하면 외부로 전류가 나가는 흑연 전극이 캐소드가 되고 리튬 코발트 산화물 전극이 애노드가 된다. 여기서 항상 전원에 연결된 전류는 외부 회로를 따라 +극에서 극으로 흐르기 때문에 배터리를 외부 회로로 생각한다면 리튬 코발트 산화물 전극이 +극 흑연 전극을 극이라고 할 수 있다. 다시 정리하면 방전중일 때와는 달리 캐소드는 (-)극을 가지는 흑연 전극이며 애노드는 (+)극을 가지는 리튬 코발트 전극임을 알 수 있다.[2]
각주[편집]
- ↑ 개구리, 〈캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)|〉, 《네이버 블로그》, 2014-11-07
- ↑ 이호림 공학박사, 〈양극과 음극, Cathode와 Anode〉, 《티스토리》, 2021-02-05
참고자료[편집]
- 〈캐소드〉, 《위키백과》
- 〈캐소드〉, 《화학대사전》
- 이호림 공학박사, 〈양극과 음극, Cathode와 Anode〉, 《티스토리》, 2021-02-05
- 개구리, 〈캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)|〉, 《네이버 블로그》, 2014-11-07
같이 보기[편집]
