듀티사이클에 따른 몰포로지, 석출량 및 조성성분

여기서는 듀티사이클 영향에 따른 비교를 위해 전류밀도는 2.5 A/m²로 고정하 고, 균일한 조성이 유지되는 순환 해수 환경에서 24시간 동안 전착하였다. Fig.

4.12는 본 조건에서 제작한 막의 외관 모습을 나타낸다.

Duty cycle 10 % 30 % 50 %

Appearance

Fig. 4.12 Appearance of deposit films formed in open seawater by each duty cycle at adequate current density and frequency Fig. 4.13은 각각의 다른 듀티사이클로 형성한 전착막의 몰포로지 관찰 사진 을 나타낸다. 여기서는 듀티사이클이 증가함에 따라 전착 표면이 고르지 않고, 높낮이 고조가 더욱 선명해지는 경향을 보였다. 이때 듀티사이클이 증가하면, ton은 길어지는 반면 toff는 짧아지면서 투입되는 전류량이 증가하게 된다. 또한 여기서 Mg(OH)2 피막은 전착 초기에 다공성 막 구조로 핵을 이뤄 전체적으로 평활한 층(layer)을 만들어가며 성장해 간다. 반면, 듀티사이클 50 %의 경우를 보면, Mg(OH)2 피막이 층상(layer) 구조 보다는 2차 핵생성을 통한 성장형태인 주상(columnar)형 모습이 더 많은 것으로 보인다. 이처럼 전류량이 증가된 환경 에서 Mg(OH)2 피막은 새로운 2차 핵 생성이 유리한 것으로 사료된다. 또한 듀 티사이클이 증가할수록 표면은 균일하지 않으며 새로운 핵이 생성되기 좋은 것 으로 보여진다. 그리고 Mg(OH)2와 더불어 CaCO3 역시 구(sphere)형태로 미세하 고 균일하게 분산되어 Mg(OH)2 막 위에서 성장한 것을 알 수 있었다.

3

m

Duty cycle Morphology (×100)

Morphology (×500)

Morphology (×1,000)

10 %

30 %

50 %

Fig. 4.13 SEM image of deposit films formed in open seawater under duty cycle 10, 30 and 50 % at frequency 1,000 Hz and current density 2.5 A/m²

또한 여기서는 성분구조-결정 형태와 더불어 무게증가량 및 평균전류밀도도 함께 검토하였다. Fig. 4.14는 듀티사이클에 따라 생성된 전착막의 무게와 평균 전류밀도를 정리하여 나타낸 것이다. 즉, 이 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 전류밀도(i_p) 중 듀티사이클의 크기가 증가함에 따라 평균전류밀도(i_a)가 증가했음에도 불구하고, 그 막의 석출량은 오히려 감소했다. 즉, 여기서는 에너 지 투입량 대비 전착효율이 듀티사이클 30 % 값일 때 가장 우수했다. 또한 여 기서 전착막의 석출량은 듀티사이클 30 % > 10 % > 50 % 순으로 많았다. 제작 한 전착막의 성능에 대해서는 추가적인 검토도 필요하지만, 1차적으로 확인한

1mm 200

m 100

m

몰포로지와 구성 성분들의 조성을 종합하여 보면 듀티사이클 30 % 가 그 전착 효율이 우수하다고 판단된다. Table 4.4은 각각의 듀티사이클에 따라 제작한 막 에 대한 EDS 원소조성 성분분석 결과를 보여주고 있다. 여기서 주로 분석된 원 소 성분은 45 ~ 50 %의 Mg이며, Ca성분은 7 ~ 12 % 정도로 검출되었다. 이 분석 결과를 통해서는 듀티사이클에 따라 약간씩 차이가 있지만, Ca성분은 듀티사이 클 30 %에서 가장 많이 검출되는 것으로 나타났다.

Fig. 4.14 Weight gain and average current density of deposit films formed in open seawater under each duty cycle at frequency 1,000 Hz and at current density 2.5 A/m²

Duty cycle

Element

O 48.67 47.04 49.16

Na 2.27 1.76

-Mg 37.37 38.12 43.03

Cl 2.45 2.06

-Ca 9.25 11.02 7.81

Fe - -

-Component

Table 4.4 EDS analysis of deposit films formed in open seawater under each duty cycle at frequency 1,000 Hz and current density 2.5 A/m²

또한 여기서 Mg(OH)₂ 막은 듀티사이클 증가함에 따라 평균전류밀도도 증가하 면서 투입되는 에너지양도 많아 반응속도도 증대하는 경향이 있었다. 이로인해 형성된 막의 다공성 결정구조는 더욱 조밀하게 되는 현상을 확인할 수 있었다.

Fig. 4.15에서는 듀티사이클의 증가에 따라 Mg(OH)2막이 치밀해지는 경향을 나 타냈다. 이것은 주파수 영향보다는 전류밀도 크기의 영향력이 지배적인 것으로 생각된다. 즉, 이것은 듀티사이클이 증가할수록 투입된 전류량이 높기 때문에 다공성(porous) 결정구조가 치밀해져 조밀한(dense) 모습으로 성장하게 되는 것 으로 사료된다.

Duty cycle 10 % 30 % 50 %

Morphology

Fig. 4.15 SEM image and morphology of the Mg(OH)2 films under duty cycle 10, 30 and 50 % at adequate current density and frequency

20

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