전기전도율의 원리에 대해서

전기전도율의 원리에 대해서

전기전도율계는 하천수 등 환경수, 음료수 및 산업에서 사용되는 수용액 등 다양한 분야에서 측정이 이루어지고 있습니다.

이 전기전도율은 용액의 전기전달이 용이함을 나타내는 것으로 용액의 전기저항의 역수입니다.센서를 용액에 담그기만 하면 간편하게 수질 측정이 가능하며 다양한 용도로 이용되고 있습니다.

여기에서는 전기전도율의 원리, 측정방법, 전기전도율계의 종류 및 그 응용예를 소개합니다.

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1) 처음으로

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하천수 등의 환경수, 음료수 및 산업에서 사용되는 수용액 등 다양한 분야에서 전기전도율의 측정이 이루어지고 있다.

전기전도율은 용액의 전기전달이 용이함을 나타내는 것으로, 용액의 전기저항의 역수이다.

전기전도율셀이라 불리는 센서를 용액에 담그기만 하면 간편하게 용액의 수질을 측정할 수 있어 다양한 용도로 이용되고 있다.

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2) 전기전도율의 원리

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　전기전도율 측정법은 JIS K 0130 "전기전도율 측정법 통칙"에 규정되어 있으며, 용액의 전기전도율κ은 그림 1에 나타낸 것과 같이 면적 1m2의 2개의 평면전극이 거리 1m로 마주보고 있는 용기에 전해질 수용액을 충족하여 측정한 전기저항의 역수로 나타낸다.

용액의 전기전도율 단위는 SI 단위에서는 [S/m](S는 지멘스)이며, 전기전도율 수치에 따라서는 [mS/m], [μS/m] 등을 이용한다.

구단위에서는 전극간 거리를 1cm, 전극면적을 1cm×1cm로 하여 [S/cm]로 나타내며 SI단위와는 100배 값이 다르게 된다.

실제 전극은 수mm2에서 수cm2위이기 때문에 구단위가 감각적으로는 알기 쉽고 분야에 따라서는 구단위가 이용되는 경우도 있다.

염화칼륨 표준액의 전기전도율을 κ, 그 표준액을 충족한 전기전도율 셀의 전극간에 측정한 전기전도율을 G라고 할경우, κ/G를 셀 상수[m-1]라고 한다.

이론적으로는 전극면적과 거리에서 계산에 의해 셀정수 J를 결정할 수 있지만 실제로는 전극면적이나 거리에 불균형이 있기 때문에 전기전도율이 알고 있는 표준액의 전기전도율을 측정함으로써 셀정수를 결정하고 있다.

　표준액으로 염화칼륨 용액을 사용하는데, JIS K 0101/K 0102에서는 A, B, C, D의 4종류의 전기전도율이 정해져 있다.(표 1)

전기전도율 셀을 교체했을 때는 반드시 셀 정수를 변경해야 한다.

수용액의 전기전도율은 온도의 영향을 받아 수온이 높아지면 그 값은 커진다.따라서 전기전도율의 측정은 항상 일정 온도로 측정하는 것이 바람직하다.

그러나 환경수 측정 등의 경우에는 온도를 일정하게 할 수 없기 때문에 피검액의 온도를 측정하고, 온도와 전기전도율의 관계에서 온도계수를 구해 전기전도율을 25°C에서의 값으로 환산해서 나타낸다.

온도계수는 이온성분이나 농도에 따라 다르며, 정확하게 측정하기 위해서는 그 시료의 온도계수를 정해두어야 하지만, 통상은 간이적으로 (1)식으로 온도계수를 통해 25°C의 전기전도율을 산출하고 있다.

온도계수는 염화칼륨 희박용액의 2.0%/°C를 사용하는 경우가 많다.

　　　　　　κ25=κt/[1+α(t-25)](1)

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　　　　　　　　　　　　κ25:25°C의 전기 전도율

　　　　　　　　　　　　κt : t°C의 전기 전도율

　　　　　　　　　　　　α: 온도계수

전기전도율은 용액 중 이온의 총합이라고도 할 수 있기 때문에 용액의 이온 총량을 아는 것에 의미가 있는 경우나 용액에 포함된 이온이 정해져 있는 경우 등은 목적의 이온 농도를 측정할 수 있게 된다.

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3) 전기전도율의 측정방식

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　현재 실용화된 전기전도율 측정방식으로는 그림2에 나타낸 교류2전극방식, 교류4전극방식 및 전자유도방식이 있다.

　전기전도율을 측정하기 위해서는 피검액 중에 한 쌍의 통전용전극을 가진 전기전도율셀을 침적하고, 이에 전류를 흘려 저항을 측정한다.

측정은 교류에서 이루어진다.직류에서는 전극면과 피검액 사이에 분극으로 불리는 현상이 생겨 피검액의 진정한 저항을 측정할 수 없게 된다.

　교류 4전극 방식은 분극 및 오염에 강한 특징을 갖고 공업용이나 휴대용으로 이용되고 있다.

　전자유도방식은 전자유도에 의해 전기전도율을 측정하는 것으로 오염이나 분극의 영향이 적어 고전기전도율 영역(해수 등)에 유용하지만 전기전도율 셀이 커져 소량측정이나 저전기전도율 측정에는 적합하지 않다.

 

4. 전기전도율 셀의 종류와 특징

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　전기전도율 셀은 용액액의 전기전도율에 적합한 셀정수의 것이 준비되어 있으며, 표2에 침지형 셀의 일례를 나타냈다.

 

침적형 전기전도율 셀은 그림3에 나타낸 것과 같이 셀구조가 기포의 영향을 받지 않도록 전극 상부에 기포 빼기용 구멍이 뚫려 있는 것과 전극 자체를 유리 파이프에 장착하여 기포를 빼게 하는 것이 있다.

이들 셀은 용액에 침지하는 것만으로 셀 내에 기포가 대류하지 않고 손쉽게 전기전도율을 측정할 수 있다.

연속측정이나 탄산가스 등의 영향을 싫어하는 측정에서는 그림4와 같은 유통형 전기전도율 셀이 이용된다.

이 전기전도율 셀은 양단에 튜브 접속하여 셀 내에 시료용액을 유통시키면서 측정한다.

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5)전기전도율계의 응용

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다양한 용액의 전기전도율과 대응하는 전기전도율 셀 상수를 그림10에 정리했다.셀 상수 J=100의 전기전도율 셀은 그 측정범위에서 가장 일반적으로 수용액의 측정에 사용된다.

 

전기전도율계는 용액의 전해질 성분을 간편하게 측정할 수 있어 순수부터 고전해질 프로세스용액 관리까지 용도가 넓다.

보일러 급수, 이온 교환수, 상하수, 제약 용수의 관리, 반도체 프로세스의 수질 관리, 하천수, 호수, 해수등의 환경수의 수질 감시, 생산 프로세스에 있어서의 농도 관리, 수경 재배, 양식 어업의 수질 관리, 선박의 표면 염분 농도 관리, 식품의 간이 염분 관리 등 , pH계와 함께 여러가지 분야에서 이용되는 계측기이다.

 

 

 

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