MEDICAL INSTRUMENTATION 2010103804 윤지선

Chapter5. electrode Bio Potential을 측정할 때 쓰는 Sensor이다. output 생체전위의 측정 전기자극 두 종류 모두 생체외부에서 전기자극이 들어온다. Electronic current 전자에 의해서 흐르는 전류 + output i - - Output signal의 종류 Sensor Sensor는 charge carrier역할을 하기 위해 산화 환원 반응을 해준다 전류의 흐름과 등전위선 표시 ionic current 이온에 의해서 흐르는 전류

Electrode-electrolyte interface 1) Basic, 기본 개념 • Anode 𝐶→ 𝑐 𝑛+ + 𝑛𝑒 − 𝐴 𝑚− →𝐴+ 𝑚𝑒 − • Cathode 𝐶← 𝑐 𝑛+ + 𝑛𝑒 − 𝐴 𝑚− ←𝐴+ 𝑚𝑒 − Electronic current A 𝐹 + =𝑛𝑞 𝐸 𝒆 − 𝐹 − =−𝑛𝑞 𝐸 𝐶 𝑛+ E electrode 𝐴 𝑛− ionic current Anode Cathode 𝐶 𝑛+ :𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛, 양이온 Redox 반응 (산화 환원) 𝐴 𝑛− :𝑎𝑛𝑖𝑜𝑛, 음이온 Mass transfer

Electrode-electrolyte interface 2) Experiment Platinum (Pt) Carbon (C) Silver-Silver Chloride (Ag/Ag Cl) -Electrode -Electrolyte : Nacl+H2O Electron 1개 버리고 𝑁𝑎 + 화학반응 잘 안함 Electron 1개 가져와서 𝐶𝑙 − Electron 1개 버리고 𝐴𝑔 + 이온화되기 어려움 Electron을 4개 버리거나 4개 가져와야 하니까

Electrode-electrolyte interface 2) Experiment • Pt-Pt electrode 두 전극 모두에서 기포발생 전극에는 아무런 변화 없음 I Redox반응의 energy barrier가 높다. V [v] A 2[v] = 𝑬 𝒉𝒄 i • C-C electrode 두 전극 모두에서 기포발생 양극의 Carbon이 부식됨 I 𝑁𝑎 + Redox반응의 energy barrier가 높다. electrode 𝐶𝑙 − V [v] 2[v] = 𝑬 𝒉𝒄 Anode Cathode Pt와 C의 V, I특성 곡선은 거의 유사하다. • Silver-Silver Chloride electrode 기포 생기지 않음 양극은 색의 변화가 없다 음극은 암갈색에서 점점 은색으로 변함 I Redox반응의 energy barrier가 낮다. V [v] 0.1[v] = 𝑬 𝒉𝒄

Electrode-electrolyte interface 3) Analysis 전해질 interface에서 산화환원반응이 일어나지 않기 때문에 전류는 흐르지 않는다. • 𝑽< 𝑬 𝒉𝒄 = 𝟐𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑷𝒕 & 𝑪 𝟎.𝟏𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑨𝒈/𝑨𝒈𝑪𝒍 전류=0, Redox반응이 일어나지 않는다. Eet Eet 외부에서 인가해준 전압 때문에 생긴 E 양쪽에 (-), (+)가 쌓이면서 발생하는 E Eint - + 𝑬 𝒆𝒕 = 𝑬 𝒊𝒏𝒕 , 𝑵𝒂 + & 𝑪𝒍 − 는 이동하지 않는다. 𝑁𝑎 + Coulomb Force에 의해 𝑁𝑎 + 와 𝐶𝑙 − 가 이동한다. Redox반응은 없다. (인가 Energy가 energy barrier보다 낮기 때문에) 3. 각 전극 표면(즉, 전류-전해질 interface)에 표면전하가 발생한다. →Charge double layer형성 𝐶𝑙 − 전해질 내부에 외부인가 전계와 반대방향의 전계가 형성된다. 두 전계의 크기가 같아지면 𝑁𝑎 + 와 𝐶𝑙 − 의 net이동이 중지되고, 전류는 0이 된다. Anode Cathode

Electrode-electrolyte interface • 𝑽< 𝑬 𝒉𝒄 = 𝟐𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑷𝒕 & 𝑪 𝟎.𝟏𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑨𝒈/𝑨𝒈𝑪𝒍 Pt와 C의 Cathode 𝑉>2[𝑉] 𝑁𝑎 + 는 환원하지 않는다. ⇒ 𝑁𝑎 + 의 Charge double layer는 유지된다. 𝑃𝑡와 𝐶는 변하지 않는다. 2 𝐻 2 𝑂+2 𝑒 − → 𝐻 2 ↑+2 𝑂𝐻 − 물이 전자를 받으면서 수소와 수산화이온이 발생한다. pH↑ 𝑂𝐻 − 는 양극으로 이동한다. (전기력과 확산에 의함) 𝐸 𝑖𝑛𝑡 감소 및 𝑁𝑎 + 의 추가이동이 일어난다 전원에서 온 전자 기포

Electrode-electrolyte interface • 𝑽< 𝑬 𝒉𝒄 = 𝟐𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑷𝒕 & 𝑪 𝟎.𝟏𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑨𝒈/𝑨𝒈𝑪𝒍 Pt와 C의 Anode 𝑉>2[𝑉] 작은 전류가 흐를 때, 2𝐶𝑙 − → 𝐶𝑙 2 ↑+ 2𝑒 − ⇒ 산화 반응 𝐻 2 𝑂 의 전기분해는 더 큰 energy가 필요하기 때문에 위 반응이 먼저 발생한다. 𝐶𝑙 2 gas가 Carbon을 부식시킨다. 𝐶𝑙 2 gas는 Pt를 부식시키지는 못한다. 전류가 증가하면(즉, V가 더 커지면), 2 𝐻 2 𝑂→ 𝑂 2 ↑+ 4𝐻 + + 4𝑒 − ⇒ 산화 반응 전원으로 감 기포 전원으로 감 pH↓ 음극의 𝑂𝐻 − 와 결합해서 𝐻 2 𝑂를 형성한다. 𝐻 + 는 전기력과 확산에 의해 음극 쪽으로 이동한다. 기포

Electrode-electrolyte interface • 𝑽< 𝑬 𝒉𝒄 = 𝟐𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑷𝒕 & 𝑪 𝟎.𝟏𝑽 𝒇𝒐𝒓 𝑨𝒈/𝑨𝒈𝑪𝒍 Ag/AgCl의 Cathode 𝑉>0.1[𝑉] 𝐴𝑔𝐶𝑙→ 𝐴𝑔 + + 𝐶𝑙 − ⇒AgCl은 소멸 된다. 𝐴𝑔 + + 𝑒 − →𝐴𝑔 ⇒Ag는 증착된다. 양극으로 이동 전원에서 옴 Ag/AgCl의 Anode 𝑉>0.1[𝑉] 𝐴𝑔→ 𝐴𝑔 + + 𝑒 − 𝐴𝑔 + + 𝐶𝑙 − →𝐴𝑔𝐶𝑙↓ 전원으로 감

The end