KR100859768B1 - Measurement apparatus and method for impedance and changing mass - Google Patents

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KR100859768B1 KR1020070036997A KR20070036997A KR100859768B1 KR 100859768 B1 KR100859768 B1 KR 100859768B1 KR 1020070036997 A KR1020070036997 A KR 1020070036997A KR 20070036997 A KR20070036997 A KR 20070036997A KR 100859768 B1 KR100859768 B1 KR 100859768B1
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전일철
신명선
권오병
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전북대학교산학협력단
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Abstract

A method and an apparatus for measuring impedance and a mass variation are provided to accurately measure the mass variation on a surface of an electrode in nanogram scales by using an electrochemical cell to minimize interferences. An apparatus for measuring impedance and a mass variation includes an electrochemical cell(30), a high speed impedance measuring unit(10), a crystal vibration scale unit(20), and a controller. The high speed impedance measuring unit measures the impedance of an electrochemical solution, which is electrically connected to the electrochemical cell. The crystal vibration scale unit is electrically connected to the electrochemical cell and reads a variation in a frequency according to a mass variation of a working electrode of the high speed impedance measuring unit. The controller processes the data read from the high speed impedance measuring unit and the crystal vibration scale unit and displays the processed result.

Description

고속 임피던스 및 질량변화 복합측정기 및 측정방법{Measurement apparatus and method for impedance and changing mass}{Measurement apparatus and method for impedance and changing mass}

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 평면도이다.1 is a plan view of an embodiment according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 전기화학 셀의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of an electrochemical cell according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 고속임피던스 처리에 대한 예시도이다.3 is an exemplary view of a high speed impedance process according to the present invention.

도 4는 본 발명의 시스템 적용에 의한 도표이다.4 is a diagram according to the system application of the present invention.

본 발명은 고속임피던스 및 질량변화측정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기화학반응 중 간섭발생을 최소화하는 구조의 전기화학 셀을 구비하여 전기화학반응이 일어나는 과정에서 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정가능함과 동시에 전극표면에서의 질량변화를 나노그램(ng)의 정밀도로 측정할 수 있는 복합측정기에 관한 것이다.The present invention relates to a high-speed impedance and mass change measuring device, and more particularly, the electrochemical cell having a structure that minimizes the occurrence of interference during the electrochemical reaction, the surface change of the working electrode on the impedance during the electrochemical reaction occurs The present invention relates to a compound measuring device capable of measuring the effect in real time and measuring the mass change on the surface of the electrode with a precision of nanogram (ng).

수정(quartz)이나 로셀염(rochelle salt)을 비롯한 몇몇 결정 등은 결정 표면에 기계적인 스트레스를 가하면 스트레스의 크기에 비례하는 전기장이 발생하게 되는데, 이러한 현상을 압전기 효과(piezoelectric effect)라 한다. 반대로 수정을 포함하는 이러한 결정에 전기장을 가하면 기계적인 스트레스가 발생하게 되는데 이런 현상을 역 압전기 효과라고 한다. 압전 효과를 일으키는 결정은 중심 비대칭(centroasymmetry) 군에 속하는 물질들이라는 공통점을 가지고 있다. 이런 비등방성 결정들은 결정 격자 내에 배열된 원자들에 의한 쌍극자(dipole) 때문에 극성축(polar axis) 방향을 가지고 있다. 따라서 이러한 결정에 기계적인 스트레스를 가하면 원자의 이동(displacement)이 발생하며, 그 결과 쌍극자의 이동(shift)때문에 전하가 발생한다. 결정에 스트레스를 가할 때 발생되는 전하는 쌍극자 방향(orientation)과 결정면에 따라 다르게 변화된다. 수정 결정 미량 저울(Quartz Crystal Microbalance, QCM)은 수정에 교대 전기장(alternating electric field)를 걸어주었을 때, 결정이 주기적으로 물리적인 힘을 받음으로써 결정 내 진동이 발생되는 것을 그 근간으로 한다.얇은 수정판 양면에 금속을 입혀(coating) 전극을 만들고 이곳에 교류전압을 걸어 주면 수정의 공명 진동수로 진동을 하게 되고, 만약 전극의 무게 변화가 오면 공명 진동수가 변하여 전극에서 일어나는 무게변화를 감지할 수 있다.또한, 수정에 접촉된 금속 전극의 한쪽을 전기화학 셀(cell)의 작업전극(working electrode)으로 하여 작업 전극의 전위변화에 따른 공명 진동수의 변화를 측정하면 전극표면 혹은 전극과 접촉하고 있는 계면에서 발생하는 전극반응에 상응하는 무게 변화를 알 수 있게 된다.In some crystals, such as quartz and rochelle salt, mechanical stress on the crystal surface generates an electric field proportional to the magnitude of the stress. This phenomenon is called the piezoelectric effect. Conversely, applying an electric field to these crystals, including crystals, creates mechanical stress, which is called the reverse piezoelectric effect. The crystals that cause the piezoelectric effect have something in common: they belong to the group of centroasymmetry. These anisotropic crystals have a polar axis direction due to dipoles by atoms arranged in the crystal lattice. Therefore, mechanical stress on these crystals results in displacement of the atoms, resulting in charges due to the shift of the dipoles. The electric charge generated when stressing a crystal varies with dipole orientation and crystal plane. The Quartz Crystal Microbalance (QCM) is based on the fact that when an alternating electric field is applied to the crystal, the crystal is subjected to periodic physical forces, causing vibrations in the crystal. If the electrodes are coated with metal on both sides and AC voltage is applied to them, the oscillation is caused by the resonance frequency of the crystal. If the weight change of the electrode comes, the resonance frequency changes to detect the weight change occurring at the electrode. In addition, when one of the metal electrodes in contact with the crystal is used as a working electrode of an electrochemical cell, the change of the resonance frequency according to the potential change of the working electrode is measured. The weight change corresponding to the generated electrode reaction can be seen.

전극에서 어떤 물질의 용해, 석출, 혹은 표면의 형태(morphology) 변화, 산화 환원 반응을 포함하는 화학 반응 결과 생긴 막의 무게 변화를 알아냄으로써 이들 현상에 대한 반응기구를 알 수가 있다. 1970년대 이전까지는 결정이 점도 영향 에 의해 용액 내에서는 진동하지 않을 것으로 알려졌다. 그러나, Konash,Bastiaans, Nomura 등이 용액 내에서 결정표면의 질량변화를 측정하기 위해 수정 결정 미량 저울(QCM)을 사용한 연구결과가 발표되면서 보다 응용범위를 넓힐 수 있게 되었다.The reactor mechanism for these phenomena can be determined by determining the dissolution of a substance at the electrode, the change in surface morphology, and the change in weight of the membrane resulting from chemical reactions, including redox reactions. Until the 1970s, crystals were not known to vibrate in solution due to viscosity effects. However, Konash, Bastiaans, Nomura et al. Have expanded their applicability with the publication of research using quartz crystal microbalances (QCM) to measure the mass change of crystal surface in solution.

수정 결정 미량 저울(QCM)을 전기화학에 이용한 전기화학적 수정 결정 미량 저울(Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, EQCM)이 사용은 석영결정 표면에 금속을 입혀 작업 전극으로 사용하기 시작하였으며, 상기 전기화학적 수정 결정 미량 저울(EQCM)은 전극 면에서의 여러 가지 증착이나 탈착, 용해현상, 전극 면 위에 입힌 고분자의 물질이동, 또는 효소반응을 이용한 기질농도 측정 등의 여러 연구에 이용되었다. 석영결정 위에는 금(Au)외에도 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 구리(Cu), 은(Ag) 등의 여러가지 금속을 증착시킬 수 있으며 금속이 잘 증착되도록 일반적으로 크롬처리를 한다. 극성축 방향을 따라 가해진 전기장(electric field) 때문에 극성이 재배열 되려는 경향으로 엇밀기 변형(shearing deformation)이 일어나는데 그 정도는 가해지는 전기장에 비례하게 된다. 이러한 변형은 탄성적이며, 전기장의 방향이 바뀌면 엇밀기 변형도 반대 방향으로 일어난다. 만약 교류 전압을 결정에 가해주면 결정 면과 평형한 엇밀기 변형이 반복적으로 일어나는데 이러한 엇밀기 변형은 결정대칭(crystal symmetry), 전기장의 방향과 크기, 결정축에 대해 어떤 각도를 자른 결정을 사용하느냐에 따라 달라진다. 따라서 어느 특정 방향으로 자른 결정에 대해서만 이러한 엇밀기 변형이 일어난다. Electrochemical quartz crystal microbalance (QCM) using a quartz crystal microbalance (QCM) for electrochemistry began to be used as a working electrode by coating a quartz crystal surface with metal. The balance (EQCM) has been used for various studies such as deposition, desorption, dissolution, mass transfer of polymers on the electrode surface, or substrate concentration measurement using enzymatic reaction. On the quartz crystal, in addition to gold (Au), various metals such as aluminum (Al), chromium (Cr), copper (Cu), and silver (Ag) can be deposited. Because of the electric field applied along the direction of the polar axis, shearing deformation occurs due to the tendency to rearrange the polarity, which is proportional to the applied electric field. This deformation is elastic, and the staggering deformation occurs in the opposite direction as the electric field changes direction. If an alternating current voltage is applied to the crystal, a twisting strain that is equilibrium with the crystal plane occurs repeatedly, which depends on the crystal symmetry, the direction and magnitude of the electric field, and the angle at which the crystal is cut. Different. Thus, this staggering deformation occurs only for the crystal cut in any particular direction.

상기의 수정진동저울과는 별개로, 일반적으로 임피던스의 측정은 동일한 진 폭과 위상을 가지는 모든 주파수 성분을 동시에 전해 용액에 인가하여 각 주파수에 대하여 고속으로 전해 용액의 임피던스를 측정하며, 전해 용액에서의 물질이동과 전자이동을 통해 임피던스측정을 하는 방법이 통상적으로 이루어져 오고 있다. 그러나, 이러한 임피던스의 측정은 전극표면의 질량변화를 측정하기는 어려우며, 아울러 동시에 고속 임피던스의 측정과 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정하기는 어려웠다.본 발명에서는 상술한 수정진동저울장치를 이용하여, 전기화학 임피던스 변화를 고속으로 측정하며 동시에 전극표면의 질량변화를 측정하는 장치를 형성하고자 하였다.Apart from the quartz crystal balance, in general, the impedance measurement measures the impedance of the electrolyte solution at high speed at each frequency by applying all frequency components having the same amplitude and phase to the electrolyte solution at the same time. The method of measuring impedance through mass transfer and electron transfer has been common. However, the measurement of the impedance is difficult to measure the mass change of the electrode surface, and at the same time, it is difficult to measure the effect of the high-speed impedance and the surface change of the working electrode on the impedance in real time. Using a scale device, an apparatus for measuring the change in electrochemical impedance at high speed and at the same time measuring the change in mass of the electrode surface was intended.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 전기화학반응 중 간섭발생을 최소화하는 구조의 전기화학 셀을 구비하여 전기화학반응이 일어나는 과정에서 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정가능함과 동시에 전극표면에서의 질량변화를 나노그램(ng)의 정밀도로 측정할 수 있는 복합측정기를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an electrochemical cell of a structure that minimizes the occurrence of interference during the electrochemical reaction surface change of the working electrode in the process of the electrochemical reaction occurs The present invention provides a multimeter capable of measuring the effect on impedance in real time and measuring the change of mass on the surface of the electrode with nanogram (ng) precision.

위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전기화학반응이 일어나는 전기화학 셀(cell)부; 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 연결되는 전기화학 용액의 임피던스를 측정할 수 있는 고속 임피던스 측정부; 상기 전기화학 셀부와 전 기적으로 접속되어 상기 고속임피던스 측정부의 작업전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 수정진동저울장치; 및 상기 고속임피던스 측정부와 상기 수정진동저울장치에서 읽어내는 데이터를 처리하고 디스플레이하는 제어장치; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치를 제공하여 전기화학임피던스 변화를 고속으로 측정하면서, 동시에 전기화학 수정진동저울을 이용하여 전극표면의 질량변화를 측정할 수 있게 한다. The present invention for solving the above technical problem, the electrochemical cell unit (electrochemical cell) that the electrochemical reaction occurs; A high-speed impedance measurement unit capable of measuring impedance of an electrochemical solution electrically connected to the electrochemical cell unit; A quartz oscillation device electrically connected to the electrochemical cell unit for reading a change in frequency according to a mass change of a working electrode of the high speed impedance measuring unit; And a control device for processing and displaying data read from the high speed impedance measuring unit and the quartz crystal balance device. It provides a high-speed impedance and mass change composite measuring device, characterized in that it comprises a high-speed measurement of the electrochemical impedance change at the same time, and at the same time it is possible to measure the mass change of the electrode surface using an electrochemical quartz oscillation balance.

또한, 본 발명은 상기 전기화학 셀부는, 수정진동저울장치에 수정진동자 양면에 구비되는 수동진동자 전극; 상기 수정진동저울의 수정결정(Quartz Crystal)의 측면에 결합되는 RF Oscillator 센서; 및 상기 수정진동자의 양면을 고정하는 고정수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치를 제공하여 고속임피던스 측정과 수정진동저울이 함께 연결되어 있음으로 발생하는 간섭현상을 최소화할 수 있는 최적구조의 전기화학 셀을 제공할 수 있게 한다. In addition, the electrochemical cell unit, the passive oscillator electrode provided on both sides of the crystal oscillator in the crystal oscillation balance device; An RF oscillator sensor coupled to a side of a quartz crystal of the quartz crystal balance; And fastening means for fixing both sides of the crystal oscillator, thereby providing a high-speed impedance and mass change composite measuring device to minimize the interference caused by the high-speed impedance measurement and the crystal vibration scale being connected together. It is possible to provide an electrochemical cell of the optimal structure.

또한, 본 발명은 상기 수정진동저울장치는 상기 수정진동자 전극 상에서 일어나는 주파수의 변화를 측정하는 진동수 계측기와 상기 RF Oscillator 센서의 신호를 측정하는 RF Oscillator를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치를 제공하여 질량측정의 효율성을 제고할 수 있게 한다. In addition, the present invention is characterized in that the crystal oscillation device is a high-speed impedance and mass change characterized in that it comprises a frequency meter for measuring the change in frequency occurring on the crystal oscillator electrode and an RF oscillator for measuring the signal of the RF Oscillator sensor It provides a compound measuring device to increase the efficiency of mass measurement.

또한, 본 발명은 상기 고정수단은 상기 수정진동자의 양면을 고정할 수 있는 오링(O-Ring)인 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치를 제 공하여 수정진동자의 진동을 안정화할 수 있도록 한다. In addition, the present invention can stabilize the vibration of the crystal oscillator by providing a high-speed impedance and mass change composite measuring device, characterized in that the fixing means is an O-ring (O-Ring) that can fix both sides of the crystal oscillator Make sure

또한 본 발명은 전기화학반응이 일어나는 전기화학 셀(cell)부와 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 연결되는 전기화학 용액의 임피던스를 측정할 수 있는 고속 임피던스 측정부와 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 접속되어 상기 고속임피던스 측정부의 작업전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 수정진동저울장치 및 상기 고속임피던스 측정부와 상기 수정진동저울장치에서 읽어내는 데이터를 처리하고 디스플레이하는 제어장치를 포함하는 복합측정장치를 이용하여,상기 고속 임피던스 측정부에서 측정한 임피던스와 상기 수정진동저울장치에서 측정한 질량값을 독립적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정방법을 제공하여 전기화학 반응이 일어나는 과정에서 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정하고 동시에 질량이 변하는 양을 나노그램의 정밀도로 확인할 수 있도록 한다. In addition, the present invention is electrically connected to the electrochemical cell unit and the high-speed impedance measuring unit and the electrochemical cell unit for measuring the impedance of the electrochemical solution (electrochemical cell) and the electrochemical solution that is electrically connected to the electrochemical cell unit in which the electrochemical reaction occurs And a crystal oscillation scale device for reading a change in frequency according to the mass change of the working electrode of the high speed impedance measurer, and a control device for processing and displaying data read from the high speed impedance measurer and the crystal oscillation scale device. Using a measuring device, by providing a high-speed impedance and mass change composite measurement method characterized in that the impedance measured by the high-speed impedance measurement unit and the mass value measured by the quartz crystal vibration scale device independently provided by the electrochemical reaction In the process, surface change of working electrode Beating effect measured in real time and at the same time to determine the amount of change in mass at an accuracy of nano-grams.

또한, 본 발명은 상기 고속 임피던스 측정부에서 측정한 임피던스는,In addition, the present invention, the impedance measured by the high-speed impedance measurement unit,

전류데이터를 측정하는 단계; 상기 전류데이터를 fitting 하는 단계;Measuring current data; Fitting the current data;

상기 fitting 된 전류데이터 값을 푸리에 변환하는 단계; 및 상기 푸리에 변환된 측정값을 통해 주파수 스펙트럼으로 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정방법을 제공하여 전류의 필터링과정에서 생기는 오차를 줄이고 고주파수에서 생기는 노이즈를 감소시킬 수 있도록 한다. Fourier transforming the fitted current data value; And forming a frequency spectrum through the Fourier-transformed measurement value, thereby providing a high-speed impedance and mass change complex measurement method, which reduces errors caused by filtering current and reduces noise generated at high frequencies. Make it work.

이하, 첨부한 도 2 및 도 3을 참고하여 본 발명의 구성과 작용을 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying Figures 2 and 3 will be described the configuration and operation of the present invention.

본 발명은 전기화학 임피던스 변화를 고속으로 측정하며 동시에 전기화학 수정진동자(EQCM)을 이용하여 전극표면 질량변화를 측정하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring electrochemical impedance changes at high speed and at the same time measuring electrode surface mass changes using an electrochemical crystal oscillator (EQCM).

본 발명의 구성은 전기화학 셀부에 접합되어 있는 고속임피던스측정장치(10) 와 수정진동저울장치(20) 및 상기 , 전기화학 반응이 일어나는 전기화학 셀부(30)를 포함하여 구성된다.The configuration of the present invention comprises a high-speed impedance measurement device 10 and a crystal oscillation balance device 20 which is bonded to the electrochemical cell unit and the electrochemical cell unit 30 in which the electrochemical reaction takes place.

특히 상기 고속 임피던스 측정장치는 소정의 제어신호에 따라 스텝전압과 전해용액의 반응전위인 DC 전압을 생성하여 DC전압을 출력하는 부분에서 생성된 신호전압을 고속으로 안정된 신호전압으로 전해 용액에 인가시키는 정전위기(13)(Potentiostat), 상기 정전위기에서 인가된 신호전압을 유입하는 상대전극(17)과 상기 신호전압의 전해 용액에 정확히 인가되는지를 체크하는 기준적극(16), 상기 상대전극에서 인가된 신호전압에 따라 전해 용액을 통하여 흐르는 전류를 측정하기 위한 작업전극 및 상기 작업 전극으로부터 유입된 전류를 전압으로 변환시키는 전류/전압변환기(12)를 포함하여 구성된다.In particular, the high-speed impedance measuring apparatus generates a DC voltage which is a reaction voltage between the step voltage and the electrolytic solution according to a predetermined control signal, and applies the signal voltage generated at the portion outputting the DC voltage to the electrolytic solution at a high speed and stable signal voltage. Potentiostat 13 (Potentiostat), the reference electrode 16 for checking whether the signal electrode applied to the signal voltage applied from the electrostatic crisis and the reference electrode 16 that is correctly applied to the electrolytic solution of the signal voltage, applied from the counter electrode And a working electrode for measuring a current flowing through the electrolytic solution according to the signal voltage, and a current / voltage converter 12 for converting the current flowing from the working electrode into a voltage.

특히 상기 수정진동저울장치는 수정진동자를 안정하게 발진시키고 작업전극의 질량변화에 따랄 주파수를 읽어내는 부분으로 진동수계측기(14)(Frequency Counter)와 발진기(15)(RF Oscillator)를 포함하여 구성된다.In particular, the crystal oscillation balance device is configured to stably oscillate the crystal oscillator and to read the frequency according to the mass change of the working electrode and includes a frequency counter 14 and an oscillator 15. .

도 3을 참조하면, 아울러 상기 전기화학 셀부(30)는 고속임피던스측정장치(10)와 수정진동저울장치가 접합되어 있으며, 수정진동저울장치의 내부의 수정진동자인 수정결정(33)(Quartz Crystal)을 구비하고 있다.Referring to FIG. 3, the electrochemical cell unit 30 has a high-speed impedance measurement device 10 and a crystal vibration balance device bonded thereto, and a crystal crystal 33 that is a crystal oscillator inside the crystal vibration balance device (Quartz Crystal). ).

상기의 구성을 통한 본 발명의 작용을 살펴보면, 본 발명의 전기화학 셀부를 형성하는 구성요소인 수정진동자의 양면에는 금속을 입혀 전극을 만들고 , 입력되는 전압의 신호에 따라 수정의 공명진동수로 진동을 하게 되며, 전극의 무게변화에 따라 수정진동자의 진동수가 변화함으로써 전극에서 일어나는 질량의 변화를 감지할 수 있게 하는 것이다.Looking at the operation of the present invention through the above configuration, both sides of the crystal oscillator, which is a component forming the electrochemical cell portion of the present invention is coated with metal to make electrodes, according to the signal of the input voltage to oscillate the vibration of the crystal resonance frequency As the frequency of the crystal oscillator changes according to the weight change of the electrode, the change in mass occurring in the electrode can be detected.

특히 수십 밀리 초(ms) 이하의 짧고 작은 전위(20 mV이하)신호를 전기화학 셀에 가하여 얻어지는 신호를 처리하여 전기화학 임피던스를 측정하고, 전기화학 수정진동자를 이용해 측정한 진동수 변화로부터 수정진동자의 한쪽 전극 표면에서의 질량변화를 동시에 측정하는 것이다. In particular, the electrochemical impedance is measured by processing a signal obtained by applying a small and small potential signal (less than 20 mV) of less than several tens of milliseconds (ms) to the electrochemical cell, and measuring the electrochemical impedance from the frequency change measured using the electrochemical crystal oscillator. The change in mass at the surface of one electrode is measured simultaneously.

이상의 두 신호는 동일한 전극에서 얻어지는데 한가지(고속임피던스)는 매우 빠른 신호이고 나머지는 저속의 신호(질량변화를 위한 진동수측정)이기 때문에 신호 간 간섭을 최소화해야하는바, 이를 위해 본 발명에서는 작업전극에 신호를 가하는 시스템과 데이터를 수집하는 장치를 각각 독립적으로 동작할 수 있도록 제작하였으며, 전기화학 반응중 간섭 발생을 최소화하기위해 최적 구조의 전기화학 셀을 제공하고 있다.Since the above two signals are obtained from the same electrode, one (high-impedance) signal is very fast and the other is a low-speed signal (frequency measurement for mass change). Therefore, interference between signals should be minimized. In order to minimize the occurrence of interference during the electrochemical reaction, the system is designed to operate the signal applying system and the data collecting device independently.

상기 전기화학 셀(30)의 내부에 형성되는 상기 수정 진동자 전극에 가해지는 전압은 두 종류이다. 첫번째 수정진동자(33)에 교류 전압을 가하게 되고 이때 수정진동자는 고유진동수로 진동을 한다(9~10MHz). 두 번째는 수정 진동자 전극에 전기화학적 활성 전위를 주사하고 일정시간 후에 작은 스텝전위(5~20mV)를 주사한다. 이 두 종류의 전압은 서로에게 노이즈로 작용을 하게 되는바, 이를 최소화 하기 위 하여, 전기화학 일어나는 전극 면(34)을 두 전위의 공통 그리운드로 묶는다. 이는 다른 한 면에 가해지는 교류전압이 전기화학면과 분리되는 효과를 갖는다. 특히 본 발명에서는 상기 수정진동자의 진동을 안정화하기 위해 수정진동자 양면을 O-ring(32) 으로 고정시켜 다른 물질의 접촉을 최소화함이 바람직하다.There are two kinds of voltages applied to the crystal oscillator electrode formed in the electrochemical cell 30. An alternating voltage is applied to the first crystal oscillator 33 and the crystal oscillator vibrates with a natural frequency (9-10 MHz). Second, the electrochemically active potential is injected into the crystal oscillator electrode and a small step potential (5-20mV) is injected after a certain time. These two types of voltages act as noises to each other. In order to minimize this, the electrochemically occurring electrode faces 34 are tied to a common ground of two potentials. This has the effect that the alternating voltage applied to the other side is separated from the electrochemical side. In particular, in the present invention, in order to stabilize the vibration of the crystal oscillator, it is preferable to minimize contact of other materials by fixing both sides of the crystal oscillator with an O-ring 32.

상기 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치는 질량측정과 임피던스측정이 각각 별개의 장치에서 독립적으로 동작 및 데이터를 수집할 수 있도록 형성되어 있다. 구체적으로는 질량측정의 데이터는 1초에 하나의 데이터를 얻으며, 임피던스측정은 80밀리 초 동안 8000개의 데이터를 얻도록 형성한다. 상기 두 가지의 데이터를 동시에 얻기 위해서는 장치를 독립적으로 구성하는 것이 필수적이며, 특히 양 데이터를 측정하는데 있어서 전기화학 반응 중 간섭현상의 발생을 최소화하기 위하여 상술한 구조의 전기화학 셀을 형성하게 되는 것이다.The high-speed impedance and mass change composite measuring device is formed so that the mass measurement and the impedance measurement can be independently collected in operation and data in separate devices. Specifically, the mass measurement data is obtained one data per second, the impedance measurement is formed to obtain 8000 data in 80 milliseconds. In order to obtain both data at the same time, it is essential to configure the device independently, and in particular, in order to minimize the occurrence of interference during the electrochemical reaction in measuring both data, the electrochemical cell having the above-described structure is formed. .

도 3을 참조하여 본 발명에 따른 고속임피던스의 처리과정을 설명한다.Referring to Figure 3 will be described the process of the high-speed impedance according to the present invention.

임피던스 데이터 처리에 있어서, 종래의 데이터 처리는 전류데이터 ->미분 ->푸리에변환 ->주파수 스펙트럼 방식으로 데이터를 처리하였다. 하지만 데이터를 푸리에 변화하면 높은 주파수에서 노이즈가 심하게 나는 문제를 해결하기 위해 기존방식에서는 신호 필터링(filtering)을 하였다. 하지만 상기 신호의 필터링(filtering) 과정에서 생기는 신호 왜곡은 오차를 크게 하는 요인으로 작용하였다. In the impedance data processing, the conventional data processing processes the data in the manner of current data-> derivative-> Fourier transform-> frequency spectrum. However, in order to solve the problem that the noise is severely changed at high frequency when the data is Fourier changed, the signal filtering is performed in the conventional method. However, the signal distortion generated during the filtering process of the signal acted as a factor to increase the error.

그래서 본 발명에 따른 시스템에서는 전류데이터 -> 전류데이터 피팅(fitting) ->미분 -> 푸리에 변환 -> 주파수 스펙트럼의 과정으로 데이터를 처리하였다.즉 필터링(fitltering) 과정에서 생기는 오차를 줄이고 높은 주파수에서 생기는 노이즈를 감소시키기 위해 전류데이터를 피팅(fitting) 하는 방식으로 임피던스 데이터처리를 하였다. 도 3의 (a) 내지 (c)를 예로 살펴보면, (a)는 전류데이터를 피팅(fitting)하는 것을 나타내며, (b)는 상기 피팅(fitting) 한 전류 값을 미분한 값을 그래프 화 한 것이며, (c)는 상기 처리한 데이터를 가지고 주파수의 스펙트럼을 형성한 그래프이다. 이처럼 본 발명에의한 고속임피던스의 데이터처리는 전류데이터를 피팅(fitting)함으로써, 노이즈의 발생 및 오차율을 낮출 수 있는 장점이 있다.Therefore, in the system according to the present invention, the data was processed in the process of current data-> current data fitting-> derivative-> Fourier transform-> frequency spectrum. Impedance data processing was performed by fitting current data to reduce noise. Referring to (a) to (c) of FIG. 3 as an example, (a) represents fitting the current data, and (b) is a graph of the derivative of the fitting current value. , (c) is a graph in which a spectrum of frequencies is formed using the processed data. As described above, the high-speed impedance data processing according to the present invention has an advantage of lowering noise generation and error rate by fitting current data.

도 4는 본 발명인 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치를 이용하여 자기조립 단분자막의 형성과정을 실시간으로 관찰한 것으로 (a)는 흡착과정에 따른 수정진동자의 진동수변화를 나타낸 그래프로 이에 따른 질량변화를 측정하고, 동시에 (b)흡착과정에 따른 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 본 발명은 전기화학 반응이 일어나는 과정에서 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정하고 동시에 질량이 변하는 양을 나노그램(ng) 정밀도로 관측할 수 있는 장점을 갖게 된다. 특히, 이러한 복합측정장치 및 방법은 자기조립 단분자막의 형성과정 실시간 관찰, 연료전지 등에 사용되는 내피온 박막에서의 임피던스변화 및 질량변화의 실시간 동시 측정, 박막에서의 전기화학 반응 간 전하-질량 변화 및 임피던스 변화 측정을 할 수 있으며, 특히 재현성이 낮은 화학계에서의 반응을 관찰하는데 매우 유용한 장점이 있다.Figure 4 is a real-time observation of the formation process of the self-assembled monomolecular film using the high-speed impedance and mass change composite measuring device of the present invention (a) is a graph showing the change in the frequency of the crystal oscillator according to the adsorption process in accordance with the mass change (B) It is a graph showing the frequency spectrum according to the adsorption process. The present invention has the advantage of measuring the effect of the surface change of the working electrode on the impedance in the process of the electrochemical reaction in real time and at the same time observe the amount of mass change with nanogram (ng) precision. In particular, such a composite measuring device and method is a real-time observation of the formation process of the self-assembled monomolecular film, real-time simultaneous measurement of the impedance and mass change in the Nafion thin film used in fuel cells, charge-mass change between the electrochemical reaction in the thin film and Impedance changes can be measured and are particularly useful for observing reactions in chemical systems with low reproducibility.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변 형이 가능하다 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention without departing from the scope of the present invention. The technical idea of the present invention should not be limited to the described embodiments of the present invention. It must be decided by one thing.

본 발명에 따르면, 전기화학반응 중 간섭발생을 최소화하는 구조의 전기화학 셀을 구비하여 전기화학반응이 일어나는 과정에서 작업전극의 표면변화가 임피던스에 미치는 영향을 실시간으로 측정가능함과 동시에 전극표면에서의 질량변화를 나노그램(ng)의 정밀도로 측정할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, an electrochemical cell having a structure that minimizes the occurrence of interference during an electrochemical reaction is capable of measuring in real time the effect of the surface change of the working electrode on the impedance during the electrochemical reaction and at the electrode surface. There is an effect that can measure the mass change with the precision of nanogram (ng).

Claims (6)

전기화학반응이 일어나는 전기화학 셀(cell)부;An electrochemical cell unit in which an electrochemical reaction occurs; 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 연결되는 전기화학 용액의 임피던스를 측정할 수 있는 고속 임피던스 측정부;A high-speed impedance measurement unit capable of measuring impedance of an electrochemical solution electrically connected to the electrochemical cell unit; 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 접속되어 상기 고속임피던스 측정부의 작업전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 수정진동저울장치; 및A crystal oscillation balance device electrically connected to the electrochemical cell unit for reading a change in frequency according to a mass change of a working electrode of the high speed impedance measuring unit; And 상기 고속임피던스 측정부와 상기 수정진동저울장치에서 읽어내는 데이터를 처리하고 디스플레이하는 제어장치; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치. A control device for processing and displaying data read from the high-speed impedance measurement unit and the quartz crystal balance device; High-speed impedance and mass change composite measuring device comprising a. 청구항 1에 있어서, 상기 전기화학 셀부는,The method according to claim 1, The electrochemical cell unit, 수정진동저울장치에 수정진동자 양면에 구비되는 수동진동자 전극;  Passive oscillator electrodes provided on both sides of the crystal oscillator in the crystal oscillation balance device; 상기 수정진동저울의 수정결정(Quartz Crystal)의 측면에 결합되는 발진기(RF Oscillator)센서; 및An RF oscillator sensor coupled to a side of a quartz crystal of the quartz crystal balance; And 상기 수정진동자의 양면을 고정하는 고정수단;Fixing means for fixing both sides of the crystal oscillator; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치. High-speed impedance and mass change composite measuring device comprising a. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2, 상기 수정진동저울장치는 상기 수정진동자 전극 상에서 일어나는 주파수의 변화를 측정하는 진동수 계측기와 상기 발진기(RF Oscillator)센서의 신호를 측정하는 발진기(RF Oscillator)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치.The quartz crystal balance device includes a high frequency impedance measuring device for measuring a change in frequency occurring on the crystal oscillator electrode and an oscillator for measuring a signal of the RF oscillator sensor. Change composite measuring device. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 고정수단은 상기 수정진동자의 양면을 고정할 수 있는 오링(O-Ring)인 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정장치.The fastening means is a high-impedance and mass change composite measuring device, characterized in that the O-ring (O-Ring) that can fix both sides of the crystal oscillator. 전기화학반응이 일어나는 전기화학 셀(cell)부와 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 연결되는 전기화학 용액의 임피던스를 측정할 수 있는 고속 임피던스 측정부와 상기 전기화학 셀부와 전기적으로 접속되어 상기 고속임피던스 측정부의 작업전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 수정진동저울장치 및 상기 고속임피던스 측정부와 상기 수정진동저울장치에서 읽어내는 데이터를 처리하고 디스플레이하는 제어장치를 포함하는 복합측정장치를 이용하여,A high-speed impedance measurement unit capable of measuring the impedance of an electrochemical cell unit in which an electrochemical reaction occurs and an electrochemical solution electrically connected to the electrochemical cell unit, and the high-speed impedance measurement by being electrically connected to the electrochemical cell unit Using a complex measuring device including a crystal vibration scale device for reading a change in frequency according to the mass change of the negative working electrode, and a high speed impedance measurement unit and a control device for processing and displaying data read from the quartz vibration scale device So, 상기 고속 임피던스 측정부에서 측정한 임피던스와 상기 수정진동저울장치에 서 측정한 질량값을 독립적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정방법.A high-impedance impedance and mass change complex measurement method, characterized in that for measuring the impedance measured by the high-speed impedance measuring unit and the mass value measured by the crystal oscillation scale device independently. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 고속 임피던스 측정부에서 측정한 임피던스는,The impedance measured by the fast impedance measuring unit is 전류데이터를 측정하는 단계;Measuring current data; 상기 전류데이터를 피팅(fitting) 하는 단계;Fitting the current data; 상기 피팅(fitting) 된 전류데이터 값을 푸리에 변환하는 단계; 및Fourier transforming the fitted current data value; And 상기 푸리에 변환된 측정값을 통해 주파수 스펙트럼으로 형성하는 단계;Forming a frequency spectrum using the Fourier transformed measurement value; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속임피던스 및 질량변화 복합측정방법.High-speed impedance and mass change composite measurement method comprising a.
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