KR20190113038A - Integrated Electrochemical Analysis Equipment including potentiostat, Electrochemical Impledance Spectroscopy and Electrochemical Quarts Crystal Microbalance - Google Patents

Integrated Electrochemical Analysis Equipment including potentiostat, Electrochemical Impledance Spectroscopy and Electrochemical Quarts Crystal Microbalance Download PDF

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KR20190113038A
KR20190113038A KR1020180035169A KR20180035169A KR20190113038A KR 20190113038 A KR20190113038 A KR 20190113038A KR 1020180035169 A KR1020180035169 A KR 1020180035169A KR 20180035169 A KR20180035169 A KR 20180035169A KR 20190113038 A KR20190113038 A KR 20190113038A
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Abstract

The present invention relates to an integrated electrochemical measuring device. More particularly, the present invention relates to an integrated electrochemical measuring device that integrates potentiostat, EIS, and QCM, which are essential for measurement and characterization of energy devices such as OLED, display, printing system ink, fuel cell, battery, solar cell, hydrogen cell, thin film, organic, inorganic material and bio, precision measurement, chemical and physical change, or the like, enables experiments without replacing the equipment, and also obtains data from the potentiostate, EIS, and QCM simultaneously to process them collectively.

Description

Potentiostat, EIS 및 EQCM을 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치 {Integrated Electrochemical Analysis Equipment including potentiostat, Electrochemical Impledance Spectroscopy and Electrochemical Quarts Crystal Microbalance} Integrated Electrochemical Analysis Equipment including potentiostat, Electrochemical Impledance Spectroscopy and Electrochemical Quarts Crystal Microbalance}

본 발명은 통합적 전기화학 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 OLED, 디스플레이, 유연인쇄전자(Printing System Ink), 연료전지, 배터리, 태양전지, 수소전지 등의 에너지소자, Thin Film, 유기, 무기 소재 및 바이오, 정밀 계측, 화학 및 물리 변화 등의 측정과 특성 분석에 필수적인 장비인 potentiostat, EIS 및 EQCM을 통합하여 장비의 교체없이 실험을 진행하며, 또한 상기 potentiostat, EIS 및 EQCM으로부터 얻어지는 데이터를 동시에 수득하여 일괄적으로 처리 및 가공이 가능한 통합적 전기화학 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated electrochemical measuring device, and more specifically, OLED, display, printing system ink, fuel cell, battery, solar cell, hydrogen device such as hydrogen cell, thin film, organic, inorganic Integrate potentiostat, EIS, and EQCM, essential equipment for measurement and characterization of materials and bio, precision measurement, chemical and physical changes, and perform experiments without replacing the equipment, and simultaneously acquire data from the potentiostat, EIS, and EQCM. The present invention relates to an integrated electrochemical measuring apparatus that can be obtained and processed and processed in a batch.

화학 센서, 환경 센서, 바이오 센서 등에는 일정 전압을 인가하고 정상 상태의 전류를 읽어내는 정전압 분극 장치(potentiostat)를 많이 사용한다. Chemical sensors, environmental sensors, bio-sensors, etc. are often used for a constant voltage polarizer (potentiostat) that applies a constant voltage and reads a steady state current.

최근에는 어레이형 센서 시스템이나 복합 센서 시스템의 개발로 인해 정전압 분극 장치의 소형 경량화 및 대용량 집적화가 요구되고 있으며, 그러기 위해서는, 센서 시스템을 측정 접속 회로와 센서를 일체형으로 조립하여 구현하거나, 센서를 측정 접속 회로에 내장하여 일체형으로 구현해야 하며, 이러한 potentiostat은 Cyclic Voltammetry와 같은 방법을 통해 화학반응의 가역성을 시험 및 측정장비할 수 있고, 최근 에너지 소자 및 소재를 비롯한 센서, LED Display등의 시험에 대한 필요성이 급증하고 있어 활용이 활발해지고 있다.Recently, due to the development of an array type sensor system or a complex sensor system, there is a demand for miniaturization and large-capacity integration of a constant voltage polarization device. The potentiostat can be tested and measured for the reversibility of chemical reactions through methods such as cyclic voltammetry, and has recently been tested on energy devices and materials, sensors, LED displays, etc. Necessity is increasing rapidly, and utilization is getting active.

상기 potentiostat을 이용한 정전압 분극 장치는 보조 전극(AE:auxiliary electrode), 기준 전극(RE:reference electrode) 및 작동 전극(WE: working electrode) 등의 3개의 전극을 사용하는 센서와 연산증폭기 등을 포함하는 회로 장치에 의해 구동될 수 있고, 이에 대한 구체적 장치의 구동회로로서, Martin, S.M. Gebara, F.H., T.D., R.B. "A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentiostat", IEEE Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems, 2004. (ISCAS '04.), vol. 4, pp. 892-895, Vancouver, Canada, 2004에 상기 potentiostat의 예시적 회로도가 제시되어 있다. The constant voltage polarization device using the potentiostat includes a sensor and an operational amplifier using three electrodes such as an auxiliary electrode (AE), a reference electrode (RE), and a working electrode (WE). Can be driven by a circuit device, and as the driving circuit of the specific device therefor, Martin, SM Gebara, F. H., T. D., R. B. "A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentiostat", IEEE Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems, 2004. (ISCAS '04.), Vol. 4, pp. An example schematic of the potentiostat is presented in 892-895, Vancouver, Canada, 2004.

한편, QCM(수정진동저울; Quartz Crystal Microbalance)은, 수정의 압전 특성에 의하여 발생하는 공진 현상(Resonance)을 이용함으로써, 미소 질량을 측정할 수 있는 장치로서, 상기 수정진동저울은, 한 쌍의 전극과, 상기 전극들 사이에 배치된 수정 기판을 구비하며, 상기 전극은 수정기판의 양면에 금속을 입혀서 형성할 수 있다. On the other hand, QCM (Quartz Crystal Microbalance) is a device that can measure a micro mass by using resonance generated by the piezoelectric properties of a crystal. An electrode and a quartz substrate disposed between the electrodes are provided, and the electrode may be formed by coating metal on both sides of the quartz substrate.

상기 수정진동저울은 수정을 결정축에 대해 특정한 방향으로 절단(AT-cut)하여 얇은 조각의 결정의 양면에 금속을 코팅하여 전극을 형성시켜 얻어질 수 있으며, 상기 전극 사이에 전압이 가해지면 상기 수정 기판과 상기 전극들로 이루어진 구조물의 공진점에서 일정한 공진 주파수로 공진이 생긴다. 이때, 상기 한 쌍의 전극 중 하나가 공기중에 노출되어 있고, 이 전극에 미소 질량(M)이 접촉되면 그 미소 질량(M)에 의하여 공진 주파수의 값이 변화한다. 그러므로, 상기 공진 주파수의 변화량을 측정함으로써, 상기 미소 질량(M) 값이 측정될 수 있으며, 이러한 수정진동저울은, 나노그램의 질량 변화도 측정할 수 있는 센서이므로, 기체의 농도변화 측정, 증착량 측정, 단백질 검출, 점탄성 계수의 측정 등 다양한 분야에서 응용이 가능하다.The crystal vibration scale may be obtained by coating the metal on both sides of the thin crystal to form an electrode by cutting the crystal in a specific direction with respect to the crystal axis (AT-cut), when the voltage is applied between the crystal Resonance occurs at a constant resonance frequency at the resonance point of the substrate and the structure consisting of the electrodes. At this time, when one of the pair of electrodes is exposed to air, and the micro mass M is in contact with the electrode, the value of the resonance frequency changes by the micro mass M. Therefore, the micro-mass (M) value can be measured by measuring the amount of change in the resonance frequency, and the crystal oscillation scale is a sensor capable of measuring the mass change in nanograms, so that the concentration change of the gas is measured and deposited. It can be applied in various fields such as amount measurement, protein detection and viscoelastic coefficient measurement.

또한, 상기 수정진동저울의 응용으로서, 용액상에서도 수정 표면의 질량 변화를 측정할 수 있는데, 이 경우에 상기 QCM의 양 전극중 하나는 작업전극(Working Electrode)이 되어 전류-전압의 관계를 통해 작업전극의 질량변화를 측장할 수 있으며, 이러한 경우에서의 QCM을 별도로 전기화학적 수정진동저울(EQCM: Electrochemical Quartz Crystal Microbalance)로서 구분할 수 있다. In addition, as an application of the crystal oscillation balance, it is possible to measure the mass change of the crystal surface even in the solution phase, in which case one of the two electrodes of the QCM becomes a working electrode to work through the current-voltage relationship The mass change of the electrode can be measured, and in this case, the QCM can be separately classified as an electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM).

상기 EQCM은 단층(monolayer)나 다층(multilayer) 박막의 생성이나 전극에 부착된 고분자 박막에서의 산화환원에 따른 물질이동, 무전해 도금, 단백질의 흡,탈착 등 전극의 질량변화를 수반하는 다양한 분야에 응용가능할 수 있다.The EQCM can be used in various fields involving mass changes of electrodes such as the formation of monolayer or multilayer thin films or the movement of materials due to redox in polymer thin films attached to electrodes, electroless plating, and adsorption and desorption of proteins. It may be applicable to.

통상적으로 QCM 장치는 수정결정을 포함하는 셀(cell), 원하는 주파수만을 선택하여 발진하는 발진회로, 수정 결정의 전극상에서 일어나는 주파수 변화를 측정하는 진동수 계측기(frequency counter), 출력되는 전압 값을 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환시켜주는 DAQ 보드 및 이들을 제어하는 제어보드 등으로 구성될 수 있으며, 또한 상기 EQCM는 QCM에 전기화학 셀(Electrochemical cell)을 부가하여 작동전극(Working Electrode)이 수정결정을 포함하며, 상대전극(counter electrode) 및 기준전극(reference electrode)가 추가적으로 포함되어 이루어질 수 있다. In general, a QCM device includes a cell containing a crystal crystal, an oscillation circuit that selects and oscillates only a desired frequency, a frequency counter for measuring a frequency change occurring on an electrode of the crystal crystal, and outputs a voltage value. It can be composed of a DAQ board that converts into a recognizable digital signal, and a control board for controlling them.In addition, the EQCM can be modified by a working electrode by adding an electrochemical cell to the QCM. And a counter electrode and a reference electrode may be additionally included.

상기 EQCM 시스템을 이용한 기술로 등록특허공보 제10-0859768호(2008.09.24)에서는 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 EQCM 장치에 관해 기재되어 있다. As a technology using the EQCM system, Korean Patent Publication No. 10-0859768 (2008.09.24) includes an electrochemical cell having a structure that minimizes the occurrence of interference during an electrochemical reaction and changes the surface of a working electrode during an electrochemical reaction. The EQCM device, which can measure the effect of the impedance on the impedance in real time and can measure the change in mass at the surface of the electrode with the precision of nanogram (ng), is described.

도 1에서는 종래기술에서 사용되는 EQCM 장치를 도시하였다. 이를 구체적으로 살펴보면, 상기 EQCM 장치는 수정결정(41)을 포함하는 작동전극(40, Working Electrode), 기준전극(50, reference electrode) 및 상대전극(60, counter electrode)으로서 각각 Ag/AgCl 전극과 백금 전극이 사용되는 통상의 3전극 시스템으로 이루어진 전기화학적 셀(70)을 포함하며, 상기 셀내에 적절한 용매와 화학반응 또는 물리적 변화를 유도할 물질들이 포함될 수 있다.Figure 1 shows the EQCM device used in the prior art. In detail, the EQCM device includes an Ag / AgCl electrode and a working electrode 40 including a quartz crystal 41, a reference electrode 50, a reference electrode, and a counter electrode 60, respectively. An electrochemical cell 70 consisting of a conventional three-electrode system in which a platinum electrode is used, may contain materials that will induce chemical reactions or physical changes with a suitable solvent.

상기 EQCM 장치의 전기화학적 셀에는 QCM의 한쪽 전극만을 용액에 노출시키고 용액애 누출되지 않도록 밀봉시켜서 수정을 설치하여야 한다. The electrochemical cell of the EQCM device should be equipped with a modification by exposing only one electrode of the QCM to the solution and sealing it against leakage.

또한, 상기 EQCM 장치는 전해용액의 반응전위인 DC 전압을 생성하여 안정된 신호전압으로 전해 용액에 인가시키는 정전위기(45, potentiostat) 포함할 수 있고, 이는 작업전극에 연결된다. In addition, the EQCM device is Potentiostat 45 for generating a DC voltage which is a reaction potential of the electrolytic solution and applying it to the electrolytic solution with a stable signal voltage may be connected to the working electrode.

또한 상기 EQCM은 QCM 시스템에서와 마찬가지로, 원하는 주파수만을 선택하여 발진시키는 발진회로(10), 수정 결정의 전극상에서 일어나는 주파수 변화를 측정하는 진동수 계측기(20, frequency counter), 출력되는 전압 값을 컴퓨터가 인식할 수 있는 디지털 신호로 변환시켜주는 DAQ 보드(30) 및 이들을 제어하는 제어 보드(미도시)와 PC 등의 장치를 포함하고 있다. In the EQCM, as in the QCM system, the oscillator circuit 10 selects and oscillates only a desired frequency, a frequency counter 20 measuring a frequency change occurring on an electrode of a crystal, and outputs a voltage value. It includes a DAQ board (30) for converting a digital signal that can be recognized, and a control board (not shown) for controlling them and a device such as a PC.

즉, 상기 전기화학적 셀부를 형성하는 구성요소인 수정진동자인 수정결정의 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.That is, both surfaces of the crystal crystal, which is a crystal oscillator that forms the electrochemical cell part, are coated with metal to form electrodes, and oscillate with the resonance frequency of the crystal according to the signal of the input voltage. By changing the frequency of the crystal oscillator, it is possible to detect the change of mass occurring in the electrode.

여기서, 상기 작동전극내 수정결정(Quartz Crystal)에 석출되는 물질의 양은 초기 Quartz Crystal 의 공진 주파수(f0)와 물질 석출후의 수정결정의 주파수(ft) 석출에 의한 변화(Δf)를 측정하여 계산될 수 있다.Here, the amount of material precipitated in the quartz crystal in the working electrode is calculated by measuring the resonance frequency f0 of the initial quartz crystal and the change Δf due to the precipitation of the crystal crystal frequency (ft) after material precipitation. Can be.

이 경우에, 상기 발진회로(10)는 원하는 주파수만을 선택하여 발진하는 기능을 하며, 수정결정의 진동은 상기 발진회로에 의하여 전기적 신호로 변환되며, 진동수 계측기는 이 전기적 신호를 이용하여 수정결정의 진동수를 계측한다. In this case, the oscillating circuit 10 functions to select and oscillate only a desired frequency, and the vibration of the crystal is converted into an electrical signal by the oscillating circuit, and the frequency measuring instrument uses the electrical signal to Measure the frequency.

한편, 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy; EIS)은 주로 전기화학분야에서 전극반응이나 복합체의 특성을 분석하기 위한 유용한 툴로서 널리 활용된다. 시스템 응답의 분석은 복합체의 성질 및 구조, 그에 따른 반응을 포함하는 종합적인 정보를 제공함으로써 응용화학 분야나 의공학 및 생체공학 분야에서도 매우 유용한 장비로 자리매김하고 있고, 최근에는 이러한 방법을 이용하여 배터리, 연료전지, 슈퍼커패시터와 같은 전기화학적 전력기기를 모델링하고 간단화하는 연구가 수행되고 있다.On the other hand, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is widely used as a useful tool for characterizing electrode reactions or complexes mainly in the electrochemical field. System response analysis has become a very useful instrument in the field of applied chemistry, medical engineering and biotechnology by providing comprehensive information including the properties and structures of complexes and the resulting responses. Research has been conducted to model and simplify electrochemical power devices such as fuel cells, fuel cells and supercapacitors.

이러한 EQCM, potentiostat 및 EIS 측정장비는 종래 기술에 따르면, 이들 각각의 주요 기능을 구현하는 장비는 현재 각각 별도로 구성되어 있으며, 일체화를 시키더라도 최종적으로 얻어지는 데이터는 별개로 디지털화되어 PC로 출력되어 각각의 응용프로그램에 의해 별도로 제어되거나 데이터가 수득된다.According to the prior art, the EQCM, potentiostat and EIS measuring equipments, which implement the main functions of each of them, are currently separately configured, and even if integrated, the final data is digitized separately and outputted to a PC. Controlled separately by the application or data is obtained.

도 2에서는 종래기술에 따른 EQCM, potentiostat 및 EIS 측정 장치를 도시한 것으로, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 수정결정을 포함하는 작동전극(Working Electrode), 기준전극(reference electrode) 및 상대전극(counter electrode)을 포함하는 3전극 전기화학적 셀을 기준으로 하여, 도 2의 좌측부분에 QCM이 발진회로와 함께 제어되고 입출력되는 형태로서 설명되어 있고, 도 2의 우측부분에 potentiostat 및 EIS 측정장비가 제어되고 입출력되는 형태로서 설명되고 있으며, 이들 각각의 데이터는 별도의 PC에 구비된 응용 프로그램에 의해 출력되거나 제어되는 구성을 가지고 있으며, 만약에 도 1에서 제시된 바와 같이, 이들 QCM과 potentiostat 및 EIS 측정장비가 하나의 PC에 의해 출력되거나 제어되더라도 QCM으로 입출력되는 데이터와 potentiostat 및/또는 EIS 로 입출력되는 데이터들은 별도로 제어되고 별도로 입출력되어 이들 각각의 응응프로그램은 독립된 별개의 프로그램이 사용되고 있어, 각각의 장비로 별도 측정된 데이터의 연관성을 직관적으로 판단하기 어려운 문제점을 가지고 있다. FIG. 2 illustrates an EQCM, potentiostat, and EIS measuring apparatus according to the prior art. As shown in FIG. 2, a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode including a crystal crystal are shown. On the basis of a three-electrode electrochemical cell including a counter electrode, QCM is described as a form in which the QCM is controlled and inputted with the oscillation circuit on the left side of FIG. 2, and a potentiostat and an EIS measuring instrument are shown on the right side of FIG. It is described as a controlled and input and output form, each of these data has a configuration that is output or controlled by an application program provided on a separate PC, and as shown in Figure 1, these QCM and potentiostat and EIS measurement Even if the equipment is output or controlled by one PC, the data input / output to QCM and the data input / output to potentiostat and / or EIS are separate. And input and output control are separately each eungeung program thereof as it is an independent separate program used, and has a separate hard to intuitively determine the correlation of the measured data to the respective equipment problems.

특히, 앞서 기재된 바와 같이, 종래 기술에 따른 별도로 측정된 데이터의 경우에 전기화학반응이 일어나는 과정에서 작업 전극의 표면변화에 따른 potentiostat 및/또는 EIS에서의 변화된 데이터 등을 실시간으로 측정하는 경우에 이들의 변화를 PC내의 별도의 응응프로그램에서 각각 추이를 관찰하여야 함으로써, 보다 직관적으로 표면의 변화 또는 측정 데이터의 시각적 가시화 등을 나타내는 것이 어려운 한계를 가지고 있어 개선의 필요성이 있는 실정이다. In particular, as described above, in the case of separately measured data according to the prior art, in the case of measuring in real time the changed data in the potentiostat and / or EIS according to the surface change of the working electrode in the course of the electrochemical reaction occurs Since the trend of each change must be observed in a separate application program in the PC, it is difficult to express the change of the surface or the visual visualization of the measurement data more intuitively.

등록특허공보 제10-0859768호(2008.09.24.)Patent Publication No. 10-0859768 (2008.09.24.)

Martin, S.M. Gebara, F.H., T.D., R.B. "A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentiostat", IEEE Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems, 2004. (ISCAS '04.), vol. 4, pp. 892-895, Vancouver, Canada, 2004Martin, S.M. Gebara, F. H., T. D., R. B. "A low-voltage, chemical sensor interface for systems-on-chip: the fully-differential potentiostat", IEEE Proceedings of the International Symposium on Circuits and Systems, 2004. (ISCAS '04.), Vol. 4, pp. 892-895, Vancouver, Canada, 2004

따라서, 앞서 제시된 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 EQCM과 potentiostat 및 EIS 측정장비를 하나로 통합하여 하나의 PC내 하나의 응용프로그램에 의해 출력되거나 제어될 수 있도록 QCM, potentiostat 및/또는 EIS 로 입출력되는 데이터들을 통합적으로 제어하며 입출력 가능하도록 하는, Potentiostat, EIS 및 EQCM을 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치를 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다. Therefore, in order to solve the above problems, the present invention integrates EQCM, potentiostat and EIS measuring equipment into one, and outputs and outputs data to QCM, potentiostat and / or EIS to be output or controlled by one application program in one PC. It is an object of the present invention to provide an integrated electrochemical measuring apparatus including Potentiostat, EIS, and EQCM, which controls them integrally and enables input / output.

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 전기화학반응이 일어나며, 수정 결정을 포함하는 작동전극, 기준전극 및 상대전극을 포함하는 전기화학 셀(cell); 상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액내 임피던스를 측정할 수 있는 임피던스 측정부(EIS); 상기 전기화학 셀과 전기적으로 접속되며, 상기 전기화학 셀의 작동전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM); 및 상기 임피던스 측정부와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하는 제어부;를 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치에 있어서, 상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is an electrochemical reaction, electrochemical cell (cell) comprising a working electrode, a reference electrode and a counter electrode comprising a crystal crystal; An impedance measuring unit (EIS) electrically connected to the electrochemical cell and capable of measuring impedance in a solution in which an electrochemical reaction occurs; An electrochemical quartz oscillation device (EQCM) electrically connected to the electrochemical cell and configured to read a change in frequency according to a change in mass of the working electrode of the electrochemical cell; And a controller for processing data inputted to and outputted from the impedance measuring unit and the electrochemical quartz oscillation balance device, wherein the controller is configured to input and output data to and from the impedance measuring unit (EIS). A memory unit capable of simultaneously storing data input and output to the vibration balance device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that data of an impedance measuring unit (EIS) and data of an electrochemical quartz oscillation device simultaneously stored in the memory unit can be simultaneously processed by the operation unit. Provide a chemical measuring device.

이 경우에 상기 통합적 전기화학 측정 장치상기 통합적 전기화학 측정 장치내 임피던스 측정부(EIS)는 상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액으로 일정 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 읽어내는 정전압 분극 장치(potentiostat)를 포함하며, 상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터, 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터 및 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터, 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터 및 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능할 수 있다. In this case, the integrated electrochemical measuring device, the impedance measuring unit (EIS) in the integrated electrochemical measuring device is electrically connected to the electrochemical cell, applies a constant voltage to a solution in which an electrochemical reaction occurs, and reads the current accordingly. The controller may include a constant voltage polarization device (potentiostat), and the controller may simultaneously store data input and output to the impedance measuring unit (EIS), data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat), and data input and output to the electrochemical quartz crystal balance device. A memory unit; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that data of an impedance measuring unit (EIS) simultaneously stored in the memory unit, data input / output to a constant voltage polarization device (potentiostat), and data of an electrochemical quartz crystal balance device are included. It can be processed simultaneously in the operation unit.

또한 본 발명은 전기화학반응이 일어나며, 수정 결정을 포함하는 작동전극, 기준전극 및 상대전극을 포함하는 전기화학 셀(cell); 상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액으로 일정 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 읽어내는 정전압 분극 장치(potentiostat); 상기 전기화학 셀과 전기적으로 접속되며, 상기 전기화학 셀의 작동전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM); 및 상기 정전압 분극 장치(potentiostat)와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하는 제어부;를 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치에 있어서, 상기 제어부는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 정전압 분극 장치(potentiostat)의 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치를 제공한다.In addition, the present invention is an electrochemical reaction, electrochemical cell (cell) comprising a working electrode, a reference electrode and a counter electrode comprising a crystal crystal; A constant voltage polarization device electrically connected to the electrochemical cell and applying a constant voltage to a solution in which an electrochemical reaction occurs and reading a current according thereto; An electrochemical quartz oscillation device (EQCM) electrically connected to the electrochemical cell and configured to read a change in frequency according to a change in mass of the working electrode of the electrochemical cell; And a controller for processing data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat) and the electrochemical quartz oscillation balance device, wherein the control unit includes data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat); A memory unit capable of simultaneously storing data input and output to the electrochemical quartz oscillation device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that the data of the constant voltage polarization device (potentiostat) and the data of the electrochemical quartz oscillation balance device simultaneously stored in the memory unit can be simultaneously processed by the operation unit. Provide a chemical measuring device.

또한, 본 발명은 통합적 전기화학 측정 장치를 이용하여, 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터와, 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터중 적어도 하나를 제어부내 메모리부에 동시에 저장하고, 이를 동시에 처리함으로써, 전기화학적 셀의 작동전극내 질량 변화;와, 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값 중 적어도 하나;를 실시간으로 하나의 응용프로그램에서 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 셀내 작동전극의 질량변화와 셀내의 임피던스 또는 전류변화를 동시에 분석하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention by using an integrated electrochemical measuring device, at least one of the data input and output to the electrochemical crystal oscillation balance device, the data input and output to the impedance measuring unit (EIS) or the data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat) Is simultaneously stored in the memory unit of the control unit and processed simultaneously, thereby changing the mass in the working electrode of the electrochemical cell, and the potential potential value from the constant voltage polarity device or the impedance value from the impedance measuring unit EIS. It provides a method for simultaneously analyzing the mass change of the working electrode in the electrochemical cell and the impedance or current change in the cell, characterized in that it can be analyzed in one application in real time.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제공하는 potentiostat, EIS 및 EQCM을 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치는 EQCM으로 입출력되는 데이터와 potentiostat 및/또는 EIS 로 입출력되는 데이터들을 단일의 통합된 제어부를 통하여 제어하며, 또한 이들을 단일의 통합된 응응프로그램에 의해 입출력과 제어가 가능함으로써, 각각의 데이터들간의 연관성을 직관적으로 판단하기가 용이하며, 특히, 전기화학반응이 일어나는 과정에서 작업 전극의 표면변화에 따른 potentiostat 및/또는 EIS에서의 변화된 데이터 등을 실시간으로 측정하는 경우에 이들의 변화를 PC내에서 직관적으로 추이를 관찰하는 것이 용이하며, 이에 더하여 보다 직관적으로 표면의 변화 또는 측정 데이터의 시각적 가시화를 도모할 수 있는 장점을 가진다.As described above, the integrated electrochemical measuring apparatus including the potentiostat, the EIS, and the EQCM provided by the present invention controls data input / output through the EQCM and data input / output through the potentiostat and / or the EIS through a single integrated controller. Since they can be input and output and controlled by a single integrated application, it is easy to intuitively determine the correlation between the data. In particular, the potentiostat and / or the surface change of the working electrode during the electrochemical reaction occur. Alternatively, when measuring the changed data in the EIS in real time, it is easy to observe the trends in the PC intuitively, and in addition, it is possible to more intuitively visualize the change of the surface or the measurement data. Has an advantage.

또한 본 발명에 따른 통합적 전기화학 측정 장치는 potentiostat, EIS 및 EQCM을 통합하여 전기화학적 측정장치에 있어, 원스텝 평가 솔류션(One-Step Test Solution)을 제공할 수 있으며, 특히, 고가의 상용 장비로만 측정이 가능했던 전기화학적 에너지 저장장치 등의 내부 임피던스를 용이하게 측정할 수 있다.In addition, the integrated electrochemical measuring device according to the present invention can provide a one-step test solution in the electrochemical measuring device by integrating potentiostat, EIS, and EQCM, in particular, measuring only with expensive commercial equipment. It is possible to easily measure the internal impedance of such an electrochemical energy storage device.

도 1은 종래 기술에서 사용되는 예시적 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM) 및 정전압 분극 장치(potentiostat)가 부가된 전기화학 측정 장치를 도시한 그림이다.
도 2는 종래 기술에서 사용되는 또 다른 예로서의 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS) 가 부가된 전기화학 측정장치를 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS)가 부가된 통합적 전기화학 측정 장치의 예시적 회로 구성을 도시한 그림이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS)가 부가된 통합적 전기화학 측정 장치의 메모리부로 입력되는 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시하였고, 도 4b는 상기 메모리부로 입력되는 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시하였으며, 도 4c는 상기 메모리부로 입력되는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합적 전기화학 측정 장치로부터 출력되는 데이터를 PC내 응용프로그램을 통하여 전기화학셀 내 전위 포텐샬과 전류 및 임피던스의 변화, 작동전극내 질량의 변화를 실시간으로 분석한 그래프이다.
FIG. 1 is a diagram illustrating an electrochemical measurement device to which an exemplary electrochemical quartz oscillation balance device (EQCM) and a constant voltage polarization device (potentiostat) are added, which are used in the prior art.
FIG. 2 is a diagram illustrating an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and an electrochemical measurement device to which a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measurement unit (EIS) is added as another example used in the prior art.
3 illustrates an exemplary circuit configuration of an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and an integrated electrochemical measurement device to which a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measurement unit (EIS) is added according to an embodiment of the present invention. One picture.
FIG. 4A illustrates an electrochemical input into a memory unit of an integrated electrochemical measuring apparatus to which an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measuring unit (EIS) are added according to an embodiment of the present invention. A graph of output data from a quartz vibration balancer (EQCM) is shown, and FIG. 4B is a graph of output data from a constant voltage polarizer (potentiostat) input to the memory unit, and FIG. 4C is an impedance input to the memory unit. The figure which shows the graph of the output value data from the measuring part EIS.
5 is a real-time analysis of the potential of the electrochemical cell in the electrochemical cell and the change of the current and impedance, the change in the mass of the working electrode through the data application from the integrated electrochemical measuring device according to an embodiment of the present invention One graph.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. In the drawings of the present invention, the size or dimensions of the structures are shown to be enlarged or reduced than actual for clarity of the present invention, and well-known configuration is omitted to show the characteristic configuration is not limited to the drawings. . In describing the principles of the preferred embodiment of the present invention in detail, if it is determined that the detailed description of the related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 임피던스 측정부(EIS) 또는 정전압 분극 장치(potentiostat) 중 적어도 하나를 포함하며, 전기화학 셀(cell), 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM) 및, 상기 임피던스 측정부(EIS) 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하는 제어부;를 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치에 있어서, 상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS) 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터, 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)의 데이타와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 상기 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치를 제공한다.The present invention includes at least one of an impedance measuring unit (EIS) or a constant voltage polarization device (potentiostat), an electrochemical cell, an electrochemical quartz oscillation device (EQCM), and the impedance measuring unit (EIS) or a constant voltage In the integrated electrochemical measuring device comprising a polarizer (potentiostat) and the controller for processing data input and output to the electrochemical quartz oscillation device, the controller is an impedance measuring unit (EIS) or a constant voltage polarizer (potentiostat) A memory unit capable of simultaneously storing input / output data and data input / output with an electrochemical quartz oscillation scale device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that data of an impedance measuring unit (EIS) simultaneously stored in the memory unit, data of a constant voltage polarization device (potentiostat), and data of an electrochemical quartz crystal balance device are included. It provides an integrated electrochemical measuring device, characterized in that the processing unit can be processed simultaneously.

여기서, 상기 전기화학 셀(cell)은 전기화학 분야에서 통상적으로 사용되는 3전극 시스템인 작동전극, 기준전극 및 상대전극을 포함하여 이루어지며, 이때 상기 작동전극(Working electrode)가 수정결정을 포함함으로써, 상기 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM)와 연동될 수 있다.Here, the electrochemical cell includes a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode, which are three-electrode systems commonly used in the electrochemical field, wherein the working electrode includes a crystal crystal. It may be linked with the electrochemical quartz oscillation device (EQCM).

상기 전기화학 셀은 이하에서 설명되는 임피던스 측정부 및 정전압 분극 장치(potentiostat)중 적어도 하나와 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM)가 접합되어 있으며, 상기 전기화학적 수정진동저울장치의 내부의 수정진동자인 수정결정(Quartz Crystal)을 구비하고 있고, 이때, 사용되는 수정결정의 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 있다.In the electrochemical cell, at least one of an impedance measuring unit and a potentiostat described below and an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) are joined to each other, and the electrochemical crystal oscillator is a crystal oscillator. Quartz crystals are provided, and at this time, both surfaces of the crystals used are coated with metal to make electrodes, and oscillate with the resonance frequency of the crystals according to the signal of the input voltage. By changing the frequency of the crystal oscillator, it is possible to detect the change of mass occurring in the electrode.

한편, 상기 정전압 분극 장치(potentiostat)는 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액으로 일정 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 읽어내는 부분으로서, 소정의 제어신호에 따라 스텝전압과 전해용액의 반응전위인 DC 전압을 생성하여 DC전압을 출력하는 부분에서 생성된 신호전압을 고속으로 안정된 신호전압으로 전해 용액에 인가시킬 수 있고, Cyclic Voltammetry와 같은 방법을 통해 화학반응의 가역성을 시험할 수 있다.On the other hand, the constant voltage polarization device (potentiostat) is electrically connected to the electrochemical cell, a part of applying a constant voltage to the solution in which the electrochemical reaction occurs and reads the current according to, the step voltage and electrolysis according to a predetermined control signal It is possible to apply the signal voltage generated at the part that outputs the DC voltage by generating the DC voltage which is the reaction potential of the solution to the electrolytic solution at high speed and stable signal voltage, and to test the reversibility of the chemical reaction through a method such as Cyclic Voltammetry. Can be.

한편, 상기 임피던스 측정부(EIS)는 상기 정전압 분극 장치(potentiostat), 상기 정전압 분극 장치에서 인가된 신호전압을 상대전극과 상기 신호전압의 전해 용액에 정확히 인가되는지를 체크하는 기준전극, 상기 상대전극에서 인가된 신호전압에 따라 전해 용액을 통하여 흐르는 전류를 측정하기 위한 작동전극 및 상기 작동 전극으로부터 유입된 전류를 전압으로 변환시키는 전류/전압변환기를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, the impedance measuring unit (EIS) is a reference electrode for checking whether the constant voltage polarizer (potentiostat), the signal voltage applied from the constant voltage polarization device is correctly applied to the counter electrode and the electrolytic solution of the signal voltage, the counter electrode It may include a working electrode for measuring the current flowing through the electrolytic solution in accordance with the signal voltage applied in and a current / voltage converter for converting the current flowing from the working electrode into a voltage.

상기 임피던스를 측정하기 위해서는 발생된 기준 정현신호가 특정 운전점에서 특정 주파수의 전류를 출력하도록 제어하며, 이때의 전류 및 전압은 검출회로와 필터를 통해 노이즈가 제거되도록 하고 DAQ Board를 통해 디지털 변환이 된 후 PC를 통해 입력되는 시스템을 가지도록 구현할 수 있으며, 이러한 임피던스 스펙트럼의 측정을 통해 전기화학적 시료의 화학반응이나 전기적 구조를 해석하는 측정 부분으로서, 전기화학분야에서 전극반응이나 복합체의 특성을 분석하기 위한 유용한 툴로서 널리 활용가능하다. 이때 상기 임피던스 측정부는 측정하고자 하는 시료의 샘플링 속도가 낮을 때는 측정범위의 한계가 나타날 수 있어, 통상적으로 사용하는 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM) 및 정전압 분극 장치(potentiostat)의 샘플링 속도에 해당하는 20kHz보다 샘플링 속도를 높여, 1MHz 의 정현파를 생성, 샘플링 할 경우 정확도를 높이기 위해 50개의 포인트를 취합할 경우 50MHz의 범위로 높여 사용할 수 있으며, 1MHz~0.00001Hz의 정현파를 수행할 경우 50MHz~0.0005Hz로 자유로운 가변이 가능하다.In order to measure the impedance, the generated sinusoidal sinusoidal signal is controlled to output a current of a specific frequency at a specific operating point. At this time, the current and the voltage are removed through a detection circuit and a filter to remove noise, and a digital conversion is performed through the DAQ Board. It can be implemented to have a system that is input through a PC, and it is a measurement part that analyzes the chemical reaction or the electrical structure of an electrochemical sample by measuring the impedance spectrum, and analyzes the characteristics of electrode reactions or complexes in the electrochemical field. It is widely available as a useful tool for doing so. In this case, when the sampling rate of the sample to be measured is low, a limit of the measurement range may appear, and thus, the impedance measuring unit corresponds to the sampling rate of an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and a constant voltage polarization device (potentiostat). In order to increase the accuracy when sampling and generating 1MHz sine wave higher than 20kHz, 50 points can be used in the range of 50MHz to collect accuracy, and 50MHz ~ 0.0005Hz when sine wave of 1MHz ~ 0.00001Hz is used. Free variable is possible.

한편, 상기 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM)는 상기 전기화학 셀과 전기적으로 접속되며, 상기 전기화학 셀의 작동전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이기 위해, 전기화학 셀의 작동전극내에 수정결정을 포함하는 셀(cell)을 구비하며, 또한 원하는 주파수만을 선택하여 발진하는 발진기(RF Oscillator)를 포함하는 발진회로 및 수정 결정의 전극상에서 일어나는 주파수 변화를 측정하는 진동수 계측기(frequency counter)를 포함할 수 있다. On the other hand, the electrochemical quartz oscillation device (EQCM) is electrically connected to the electrochemical cell, in order to read the change in frequency in accordance with the mass change of the working electrode of the electrochemical cell, in the working electrode of the electrochemical cell An oscillator circuit including a cell including a crystal crystal and an oscillator for selecting and oscillating only a desired frequency, and a frequency counter for measuring a frequency change occurring on an electrode of the crystal crystal. It may include.

한편, 본 발명에서의 상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS)와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하거나, 또는 상기 정전압 분극 장치(potentiostat)와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리할 수 있고, 상기 임피던스 측정부(EIS) 및 이의 내부에 포함된 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 처리할 수 있다.On the other hand, the control unit in the present invention processes the data input and output to the impedance measuring unit (EIS) and the electrochemical quartz oscillation device, or input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat) and the electrochemical quartz oscillation device Data may be processed, and the data input and output to the impedance measuring unit (EIS) and the constant voltage polarization device (potentiostat) included therein and the data input and output to the electrochemical quartz oscillation balance device may be simultaneously processed.

이를 위해서, 상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS) 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 기술적 특징으로 한다.To this end, the control unit may include a memory unit capable of simultaneously storing data input / output to an impedance measuring unit (EIS) or a constant voltage polarizer (potentiostat) and data input / output to an electrochemical quartz oscillation scale device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, wherein the data of the impedance measuring unit EIS and the data of the electrochemical quartz oscillation device are simultaneously stored in the memory unit.

이를 도 3을 통해 상세히 설명하고자 한다. 상기 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM) 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS)가 부가된 통합적 전기화학 측정 장치의 예시적 회로 구성을 도시한 그림으로서, 적절한 FPGA 및 SRAM 구조를 이용한 버스 구조로 설계된 보드를 통해 외부 PC로부터 이더넷(Ethernet)을 통해 데이터가 제어되어 전달되도록 하였으며, 이때 상기 보드내에는 DSC 칩과 FPGA 칩을 통해 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS) 및 전기화학 셀을 제어하기 위한 데이터 및 이들로부터의 출력되는 데이터를 처리하도록 하였다.  This will be described in detail with reference to FIG. 3. FIG. 3 illustrates an exemplary circuit configuration of an integrated electrochemical measuring device to which an electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measurement unit (EIS) are added according to an embodiment of the present invention. As a figure, data is controlled and transferred from an external PC through Ethernet through a board designed with a bus structure using an appropriate FPGA and SRAM structure, in which the electrochemical modification is performed through the DSC chip and the FPGA chip. Data for controlling the vibration balance device (EQCM), constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measuring unit (EIS) and the electrochemical cell, and output data from them.

보다 상세하게는 상기 FPGA 칩은 PotentioStat를 포함한 EIS의 데이터를 최대 50MHz의 샘플링 속도로 DAC를 통해 정현파를 구현하고 이 신호는 전기화학 셀을 통과하여 전기화학셀의 특징을 나타내는 신호의 응답특성을 ADC를 통해 입력되며 이때 EQCM의 발진회로에서 들어오는 데이터를 EIS의 실시간 데이터와 동시에 SRAM에 저장하는 로직을 갖도록 설계되었으며 DSP와의 병렬 동기화 Interface 기능에 의해 실시간이 보장된 데이터를 병렬로 Access 함으로서 실시간성을 보장한다. More specifically, the FPGA chip implements a sine wave through the DAC to the data of the EIS including the PotentioStat at a sampling rate of up to 50 MHz, and the signal passes through the electrochemical cell to convert the response characteristics of the signal that characterizes the electrochemical cell. It is designed to have the logic to store the data coming from the EQCM oscillation circuit in the SRAM at the same time as the real-time data of the EIS, and guarantee the real-time by accessing the data guaranteed in parallel by the parallel synchronization interface function with the DSP. do.

또한, 이의 내부에는 메모리부로서 sRAM을 포함하도록 하여, 상기 sRAM에 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS) 및 전기화학 셀내의 각각의 전극으로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있도록 하였다.In addition, an sRAM is included as a memory unit therein, and the sRAM is input and output to each electrode in an electrochemical quartz oscillation device (EQCM), a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measurement unit (EIS), and an electrochemical cell. To store data simultaneously.

즉, 상기 메모리부에 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값과 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM)내 발진회로와 전기화학 셀내의 작동전극의 두께변화 등에 관한 정보가 동시에 저장되도록 하며, 상기 동시 저장된 데이터를 FPGA에 포함된 연산장치; 또는 DSP에 포함된 연산장치;를 포함하는 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 기술적 특징으로 한다.That is, the potential potential value from the constant voltage polarization device (potentiostat) or the impedance value from the impedance measuring unit (EIS) and the thickness of the oscillation circuit in the electrochemical quartz oscillation balance device (EQCM) and the working electrode in the electrochemical cell An arithmetic unit configured to simultaneously store information regarding a change, and to include the simultaneously stored data in an FPGA; Or an arithmetic unit included in a DSP.

한편, 상기 보드는 상기 전기화학셀과의 데이터 통신을 위해 ADC 칩 및 DAC 칩을 추가로 포함할 수 있다. 여기서 상기 ADC 칩은 아날로그 데이터를 디지털로 변환하는 기능을 하는 칩이며, DAC 칩은 디지털 데이터를 아날로그로 변환하는 기능을 하는 칩에 해당한다. Meanwhile, the board may further include an ADC chip and a DAC chip for data communication with the electrochemical cell. Here, the ADC chip is a chip for converting analog data into digital, and the DAC chip corresponds to a chip for converting digital data into analog.

따라서, 상기 보드를 통해 외부 PC로부터 전기화학셀로의 데이터 입출력을 보다 상세히 설명하면, 우선, 사용자에 의해 PC의 응용프로그램에서 제어하고자 하는 전기화학셀 내의 특정의 전극의 전압 제어 및 발진회로의 발진 정보의 제어를 PC로부터 주파수, Amplitude, Offset등의 정보를 DSP에 전달하고 이를 바탕으로 FPGA에 실시간 Logic를 구현한다. 이는 DSP가 가지는 Interface의 한계인 20KHz를 FPGA의 병렬 Interface기능과 DAC, ADC 50MHz 출력, 입력을 Hardware Logic로서 구현함으로서 실시간성을 보장한다. FPGA의 실시간 동기 로직에 의해 DAC를 통해 출력된 신호는 전기화학셀로 입력되고 전기화학셀에서 반응에 의해 출력된 신호는 ADC 칩을 거쳐 FPGA의 동기 로직에 의해 SRAM에 저장된다. 이때 동시에 QCM의 데이터와 함께 SRAM에 저장되며 DSP를 거쳐 FPGA 2 Port SRAM Control Logic에 의해 DSP로 전달되며 이를 Ethernet 통신을 통해 종합 분석 Software로 전송된다. Therefore, the data input and output from the external PC to the electrochemical cell through the board in more detail, first, the voltage control and oscillation of the oscillation circuit of the specific electrode in the electrochemical cell to be controlled by the user in the application program of the PC It transfers information such as frequency, amplitude and offset from the PC to the DSP and implements real-time logic in FPGA based on this. This ensures real-time performance by implementing 20KHz, the limit of DSP interface, by implementing parallel interface function of FPGA, DAC, ADC 50MHz output, and input as hardware logic. The signal output through the DAC by the real-time synchronization logic of the FPGA is input to the electrochemical cell, the signal output by the reaction from the electrochemical cell is stored in the SRAM by the synchronization logic of the FPGA via the ADC chip. At the same time, it is stored in SRAM together with the data of QCM, passed through DSP to FPGA by FPGA 2 Port SRAM Control Logic, and it is transmitted to comprehensive analysis software through Ethernet communication.

한편, 본 발명에서의 상기 통합적 전기화학 측정 장치의 제어부내 상기 연산부는 메모리부에 저장된 데이터를 처리하여 외부의 PC로 데이터를 이송가능하며, 상기 외부의 PC는 하나의 응용프로그램에서 연산부로부터 제공받은 데이터를 처리하여 작동전극내 질량 변화와, 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값의 상관관계를 실시간으로 분석할 수 있다.On the other hand, the operation unit in the control unit of the integrated electrochemical measurement device in the present invention can process the data stored in the memory unit and transfer the data to an external PC, the external PC received from the operation unit in one application program The data can be processed to analyze in real time the correlation between the mass change in the working electrode and the potential potential value from the constant voltage polarization device or the impedance value from the impedance measuring unit EIS.

이를 도 4 및 도 5를 통해 설명하면, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS)가 부가된 통합적 전기화학 측정 장치의 메모리부로 입력되는 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시한 그림으로서, PotentioStat의 전위 Potential을 Seweep하여 전류의 흐름을 관찰하여 이온의 전자 이동량을 관찰하고 EQCM값을 관찰하여 실제 Mass의 이동량을 관찰하도록 하며, 이때 입력값은 -0.4 ~ 0.7V의 선형 전압을 인가하여 EQCM의 출력값은 파란색이 PotentioStat의 전류 변화량을 나타내고, 빨간색은 EQCM의 질량 변화값을 나타낸 것이다. 이때, 상기 도 4a의 X축은 DAC 출력을, Y축의 좌측은 PotentioStat의 입력에 대한 전기화학셀 응답전류를 나타내고, Y축 우측은 PotentioStat의 입력에 대한 전기화학셀 응답 QCM Mass변화량을 나타낸다. 4 and 5, FIG. 4A is an integrated electrochemical quartz oscillation device (EQCM) and a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measurement unit (EIS) according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the output data from the electrochemical quartz oscillation device (EQCM) input to the memory part of the electrochemical measuring device.The potential of the PotentioStat is sweeped and the current flow is observed to observe the flow of ions. Observe the EQCM value to observe the actual mass movement.In this case, the input value is applied a linear voltage of -0.4 ~ 0.7V so that the output value of the EQCM is blue and PotentioStat is the current change, and red is the mass change value of the EQCM. It is shown. At this time, the X axis of FIG. 4A represents the DAC output, the left side of the Y axis represents the electrochemical cell response current to the input of PotentioStat, and the right side of the Y axis represents the electrochemical cell response QCM Mass change to the input of PotentioStat.

한편, 도 4b는 상기 메모리부로 입력되는 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시한 것으로, EQCM과 분석의 편리성과 동시성을 비교하기 위해 아래는 PotentioStat(분극장치)만을 사용한 전위 Potential을 Seweep하여 전류의 흐름을 관찰하여 이온의 전자 이동량만을 관찰하였으며, 이때, PotentioStat 입력값은 -0.4 ~ 0.7V의 선형 전압을 인가하였고, Potentiostat 출력값은 X축은 DAC 출력(전기화학셀 입력 전압을, Y축은 PotentioStat의 입력에 대한 전기화학셀 응답전류를 나타낸다. On the other hand, Figure 4b is a graph of the output value data from the constant voltage polarizer (potentiostat) input to the memory unit, below to compare the potential Potential using only PotentioStat (polarizer) to compare the convenience and concurrency of the EQCM and analysis We observed the flow of current by sweeping and observed only the electron movement of ions. At this time, the PotentioStat input value applied a linear voltage of -0.4 ~ 0.7V, and the Potentiostat output value showed the DAC output (electrochemical cell input voltage, Y). The axis represents the electrochemical cell response current to the input of PotentioStat.

또한, 상기 도 4c는 상기 메모리부로 입력되는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 출력값 데이터의 그래프를 도시한 그림으로서, EIS 입력값은 1KHz ~ 0.1Hz의 정현파 40개를 Log Scale로 분할 입력하였고, EIS 출력값은 1KHz(좌측 하단), 0.1Hz(우측 상단 )의 각각의 주파수에 대한 응답을 Nyquist Plot으로 표현하여 정현파 입력에 대한 정현파 출력의 Amplitude변화와 위상변화를 나타냄으로서 전기화학 셀의 전자공학적인 등가회로를 짐작할 수 있다.In addition, FIG. 4C is a diagram illustrating a graph of output value data from the impedance measuring unit (EIS) input to the memory unit. The EIS input value is obtained by dividing 40 sinusoids of 1 KHz to 0.1 Hz into a log scale. The output value is expressed as Nyquist Plot for the response of each frequency of 1KHz (bottom left) and 0.1Hz (top right) to represent the amplitude change and phase change of the sinusoidal output to the sinusoidal input. You can guess the circuit.

상기 도 4c에서의 X축은 PotentioStat의 정현파 입력에 대한 전기화학셀 응답전류의 Nyquist Real 값(실효저항)을 나타내며, Y축은 PotentioStat의 정현파 입력에 대한 전기화학셀 응답전류의 Nyquist Image값(커패시턴스에 의한 허수 전류 및 위상차)을 나타내며, 상기 Nyquist 그래프에서의 하나의 포인트는 X의 값에 대한 응답이 Y값의 형태가 아니라 하나의 주파수의 응답에 대한 회로의 응답을 X, Y값으로 표시한 것이다. In FIG. 4C, the X axis represents the Nyquist Real value (effective resistance) of the electrochemical cell response current with respect to the sine wave input of PotentioStat, and the Y axis represents the Nyquist Image value of the electrochemical cell response current with respect to the sine wave input of PotentioStat (by capacitance). Imaginary current and phase difference), and one point in the Nyquist graph indicates that the response of the circuit to the response of one frequency is represented by the X and Y values, not in the form of Y values.

상기 도 4a 내지 도 4c를 통해 보여주는 바와 같이 본 발명에 따른 통합적 전기화학 측정 장치는 각각의 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM), 및 정전압 분극 장치(potentiostat)/ 임피던스 측정부(EIS)로부터 출력되는 데이터 값들이 FPGA를 통해 메모리부에 입력되고, 상기 입력된 데이터 값들이 DSP를 거쳐 PC로 출력되게 되며, 상기 PC에서는 하나의 응용프로그램을 통해 상기 각각의 데이터를 처리하거나 또는 제어할 수 있다. 4A to 4C, the integrated electrochemical measuring device according to the present invention is output from each electrochemical quartz oscillation balance device (EQCM), and a constant voltage polarization device (potentiostat) / impedance measuring unit (EIS). The data values are input to the memory unit through the FPGA, and the input data values are output to the PC through the DSP, and the PC may process or control the respective data through one application program.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합적 전기화학 측정 장치로부터 출력되는 데이터를 PC내 응용프로그램을 통하여 전기화학셀 내 전위 포텐샬과 전류 및 임피던스의 변화, 작동전극내 질량의 변화를 실시간으로 분석한 그래프로서, 상기 도 4a 내지 도 4c로 표시되는 데이터들이 FPGA를 통해 메모리부에 입력되고, 상기 입력된 데이터 값들이 DSP를 거쳐 PC로 출력되어, 상기 PC내에서 사용자가 작성한 단일 응용프로그램을 통해 x, y 축에 관한 변수들로서 전기화학셀 내부에서 전자공학적인 등가회로상의 Real, Image값을 나타내어 해당 전기화학셀의 회로 상태를 파악 할수 있으며, Z축에 전위 포텐셜, 사이클 회수 등에 따른 각각의 데이터값을 표시할 수 있으며 이는 충전, 방전의 진행 상황에 따른 임피던스 변화를 알 수 있다. 또한 구의 색에 따른 주파수의 변화를 표시함으로서 기존 점선 방식에 비해 상변화가 발생시 동일 주파수대에서 비교를 용이하게 하였으며 구의 크기에 따른 질량의 변화를 나타낼 수 있다. 이를 통해 종합적인 변화의 흐름을 직관할 수 있는 분석 툴로서 유용하다.5 is a real-time analysis of the potential of the electrochemical cell in the electrochemical cell and the change of the current and impedance, the change in the mass of the working electrode through the data application from the integrated electrochemical measuring device according to an embodiment of the present invention As a graph, the data shown in FIGS. 4A to 4C are input to a memory unit through an FPGA, and the input data values are output to a PC through a DSP, and are output through a single application program written by a user in the PC. Variables related to the x and y axes represent real and image values on the electronic equivalent circuit inside the electrochemical cell, so that the circuit state of the corresponding electrochemical cell can be identified. The value can be displayed and it shows the change of impedance according to the progress of charging and discharging. In addition, by displaying the change of frequency according to the color of the sphere, it is easier to compare in the same frequency band when the phase change occurs compared to the conventional dotted line method, and can show the change of mass according to the size of the sphere. This is useful as an analysis tool that allows you to intuitively understand the overall flow of change.

또한, 본 발명은 상기 통합적 전기화학 측정 장치를 이용하여, 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터와, 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터중 적어도 하나를 제어부내 메모리부에 동시에 저장하고, 이를 동시에 처리함으로써, 전기화학적 셀의 작동전극내 질량 변화;와, 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값 중 적어도 하나;를 실시간으로 하나의 응용프로그램에서 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 셀내 작동전극의 질량변화와 셀내의 임피던스 또는 전류변화를 동시에 분석하는 방법을 제공할 수 있으며, 이는 앞서 제시한 본 발명에서의 통합적 전기화학 측정 장치를 이용하여 전기화학적 셀내 작동전극의 질량변화와 셀내의 임피던스 또는 전류변화를 동시에 분석함으로써, 분석 대상의 전기화학적 정보를 구하거나 또는 분석 대상의 반응정보를 구하는 방법에 해당하며, 이를 통해서 작업 전극의 표면변화에 따른 potentiostat 및/또는 EIS에서의 변화된 데이터 등을 실시간으로 측정함에 있어서, 이들의 변화를 PC내에서 직관적으로 추이를 관찰하는 것이 용이하며, 이에 더하여 보다 직관적으로 표면의 변화 또는 측정 데이터의 시각적 가시화를 도모할 수 있는 추가의 장점을 가질 수 있다.In addition, the present invention uses at least one of the data input and output to the electrochemical quartz oscillation device, the data input and output to the impedance measuring unit (EIS) or the data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat) using the integrated electrochemical measuring device Mass storage in the working electrode of the electrochemical cell by storing one at the same time in the memory section of the controller and simultaneously processing the same; and the potential potential value from the constant voltage polarization device or the impedance value from the impedance measuring section EIS. It can provide a method for simultaneously analyzing the mass change of the working electrode in the electrochemical cell and the impedance or current change in the cell, characterized in that it can be analyzed in one application in real time, which is presented above Electrochemical Intracell Operation Using the Integral Electrochemical Measurement Apparatus of the Invention By analyzing the mass change of the coin pole and the impedance or current change in the cell at the same time, it is the method of obtaining the electrochemical information of the analysis target or the reaction information of the analysis target, through which the potentiostat and In real-time measurement of changed data in the EIS, it is easy to observe the trends in the PC intuitively, and more intuitively, visualize the change of the surface or the measurement data. It may have additional advantages.

한편, 본 발명에 따른 통합적 전기화학 측정 장치는 전기화학적 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉되어 결합되는 온도조절부를 추가적으로 포함할 수 있고, 이때, 상기 온도조절부는 히터 또는 펠티에 소자를 포함하는 플레이트가 전기화학적 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉됨으로써, 온도가 조절되도록 할 수 있다. On the other hand, the integrated electrochemical measuring device according to the present invention may further include a temperature control unit which is directly in contact with and coupled to at least one of the electrochemical cell or the oscillation circuit, wherein the temperature control unit plate comprising a heater or Peltier element Is directly in contact with at least one of the electrochemical cell or the oscillation circuit, thereby allowing the temperature to be controlled.

본 발명에 따른 통합적 전기화학 측정 장치내 전기화학적 수정진동저울장치(EQCM)는 온도 변화에 따른 공진 주파수 변화를 최소화 하면서, 또한 수정결정의 양단에 형성된 전극상에 물질이 석출되지 않은 상태에서 온도변화에 따른 수정결정의 공진주파수의 변화(Δf)는 최소화될 수 있도록 하기 위해, 상기 전기화학적 수정 진동 저울 장치에서의 온도에 민감한 두 주요한 구성요소 부분인 발진회로와 셀의 온도를 일정온도로 유지할 수 있다.The electrochemical quartz oscillation device (EQCM) in the integrated electrochemical measuring device according to the present invention minimizes the resonance frequency change according to the temperature change and also changes the temperature in a state where no substance is deposited on the electrodes formed at both ends of the crystal. It is possible to keep the temperature of the oscillation circuit and the cell, two major component parts of the temperature sensitive element in the electrochemical crystal vibrating balance device, in order to minimize the change of the resonance frequency of the crystal crystal according to have.

보다 구체적으로 본 발명은 상기 전기화학적 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉되어 결합되는 온도조절부를 추가적으로 포함할 수 있다. 여기서, 상기 온도조절부가 ‘직접 접촉되어 ~’ 의 의미는 상기 셀 또는 발진회로의 상면, 하면 또는 측면 중 어느 하나 이상의 부위에 상기 온도조절부가 밀착되어 결합됨으로써, 상기 셀 또는 발진회로를 가열하거나 또는 냉각시킬 수 있음을 의미한다. More specifically, the present invention may further include a temperature control unit which is directly contacted and coupled to at least one of the electrochemical cell or the oscillation circuit. Here, the temperature controller is in direct contact with ~ means that the temperature control unit is in close contact with any one or more of the top, bottom or side of the cell or oscillation circuit, thereby heating the cell or oscillation circuit or It means that it can be cooled.

본 발명에서 상기 온도조절부는 가열 또는 냉각이 가능하거나 또는 가열과 냉각기능을 모두 구비할 수 있다. 예를 들어 가열기능을 위해서는 열판이 직접 셀 또는 발진회로에 접촉되거나, 또는 상기 열판, 또는 가열선을 포함하는 플레이트 등이 상기 셀 또는 발진회로와 직접적으로 접촉됨으로써 온도를 상승시키거나 또는 가열을 중지하여 온도 상승을 중단시킬 수 있고, 냉각기능을 위해서는 냉각판이 직접 셀 또는 발진회로에 접촉되거나, 또는 상기 냉각판 또는 냉각용매가 흐르는 냉각관을 포함하는 플레이트 등이 상기 셀 또는 발진회로와 직접적으로 접촉됨으로써 온도를 하강시키거나 또는 냉각을 중지하여 온도 하강을 중단시킬 수 있다. In the present invention, the temperature control unit may be heated or cooled, or may be provided with both heating and cooling functions. For example, for the heating function, the hot plate is directly in contact with the cell or the oscillation circuit, or the hot plate or the plate including the heating wire is in direct contact with the cell or the oscillating circuit to raise the temperature or stop heating. To stop the temperature rise, and for the cooling function, the cooling plate directly contacts the cell or oscillation circuit, or the plate including the cooling tube through which the cooling plate or cooling solvent flows is directly contacted with the cell or oscillation circuit. As a result, the temperature drop can be stopped by stopping the temperature or stopping the cooling.

여기서, 상기 온도조절부는 온도조절부 자체 내에 온도조절을 할 수 있는 온도 제어부를 구비할 수도 있고, 상기 온도조절부의 외부에 온도제어가 가능한 온도 제어부를 별도로 구비할 수도 있다. Here, the temperature control unit may include a temperature control unit capable of temperature control in the temperature control unit itself, or may be provided separately from the temperature control unit capable of temperature control outside the temperature control unit.

일 예로서, 상기 온도조절부는 히터 또는 펠티에 소자를 포함하는 플레이트가 수정 결정을 포함하는 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉됨으로써, 온도가 조절될 수 있다. As an example, the temperature controller may adjust the temperature by directly contacting at least one of a cell or an oscillation circuit including a crystal or a plate including a heater or a Peltier device.

여기서, 상기 펠티에 소자는 펠티에 효과를 나타내는 소자로서, 펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트, 텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열 또는 발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있고, 이는 전류 방향에 따라 흡열·발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열 또는 발열량이 조절되므로, 상온 부근의 정밀한 온도 조절부를 제작할 수 있다.Here, the Peltier element is a Peltier effect, and the Peltier effect is a phenomenon in which two types of metal ends are connected to each other and current flows therein, whereby one terminal absorbs heat and the other terminal generates heat. to be. By using semiconductors such as bismuth and tellurium, which have different electric conduction methods, instead of two kinds of metals, a Peltier device capable of efficient endothermic or exothermic action can be obtained, which can switch endothermic and heat generation depending on the current direction. Since the endotherm or the calorific value is adjusted, it is possible to produce a precise temperature control unit in the vicinity of room temperature.

본 발명에서 상기 온도 변화에 따른 공진 주파수 변화를 최소화 하기 위해, 바람직하게는 상기 발진회로에 상기 온도조절부가 직접 접촉되어 결합될 수 있고, 더욱 바람직하게는 셀의 하부 및 발진회로의 하부에 각각 상기 온도조절부가 직접 접촉되어 결합될 수 있다. In order to minimize the resonance frequency change according to the temperature change in the present invention, preferably, the temperature control part may be directly contacted and coupled to the oscillation circuit, and more preferably, the lower part of the cell and the lower part of the oscillation circuit, respectively. The thermostat can be coupled in direct contact.

상기 발진 회로는 원하는 주파수만을 선택하여 발진하는 기능을 하며, 이로부터 일정한 공진 주파수가 생성되도록 한다. 이 부분은 수정 결정과는 떨어져 구비되는 전자 회로 부분에 해당되나, 본 발명에서는 상기 발진 회로부분의 온도변화를 최소화함으로써, 공진 주파수 변화를 최소화를 구현할 수 있다. The oscillator circuit selects and oscillates only a desired frequency, thereby generating a constant resonance frequency. This part corresponds to the part of the electronic circuit provided away from the crystal, but the present invention can minimize the change in the resonance frequency by minimizing the temperature change of the oscillation circuit part.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시에는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not interpreted to be limited by these examples.

실시예)Example

본 발명에서의 전기화학적 수정진동저울 장치로서, 발진회로(Oscillator)는 Resonant Frequency : 9 ㎒, Sensitivity : 4.2 ng/㎐㎠ 를 사용하였으며 이를 통해 0.1 ng까지의 분해능을 가지는 EQCM 장치를 제조할 수 있다. 또한 사용되는 주파수 계수기(Frequency Counter)는 AT slot 타입을 사용하였으며, 1/T : 1 ㎐ ~ 27 ㎒, T : 1m㎐ ~ 27 ㎒ 의 범위를 갖는다.As the electrochemical quartz oscillation device in the present invention, the oscillator (Resonant Frequency: 9 ㎒, Sensitivity: 4.2 ng / ㎐㎠ used to produce an EQCM device having a resolution up to 0.1 ng through this) . In addition, the frequency counter used is an AT slot type, and has a range of 1 / T: 1 ㎐ ~ 27 ㎒ and T: 1m㎐ ~ 27 ㎒.

본 발명에서 사용되는 임피던스 측정부(EIS)는 정전압 분극 장치(potentiostat)를 포함하고 있으며 정전압 분극장치에 의해 EIS는 그 실효성을 인정 받는다. 이는 Counter전극과 Reference전극에 의해 EIS의 정현파와 분극장치( PotentioStat)의 전위 Potential이 Quartz Crystal의 워킹 전극에 의해 전기화학셀 전해질에 접촉하도록 하였다.The impedance measuring unit (EIS) used in the present invention includes a constant voltage polarizer (potentiostat) and the EIS is recognized by the constant voltage polarizer. This caused the sine wave of the EIS and the potential potential of the polarizer (PotentioStat) to contact the electrochemical cell electrolyte by the quartz electrode working electrode by the counter electrode and the reference electrode.

또한 전기화학 셀의 기본 구성인 작동전극(Working Electrode), 은/염화은 기준 전극(Ag/Agcl Reference Electrode)과 백금 상대 전극 (Platinum Counter Electrode)을 사용하고, 실험용액으로는 10%의 KNO3 (Pottassium nitrate)를 증류수와 혼합) 를 준비하여 산화환원 실험을 진행하였다.In addition, the basic composition of the electrochemical cell, working electrode, silver / silver chloride reference electrode, and platinum counter electrode, is used, and 10% KNO3 (Pottassium) is used as an experimental solution. nitrate) was mixed with distilled water) to perform a redox experiment.

한편, 전기화학 셀과 외부 PC를 인터페이싱하는 보드로서, PotentioStat + QCM 조건은 노이즈 및 전압공급의 안정성을 고려하고, 반복적인 Simulation을 통해 제작하고, EIS 조건은 Bandwidth, 주파수 노이즈를 낮추어 임피던스 측정율이 좋아지도록 RC 시정수 분석이 필요하여 simulation을 실행하여 임피던스의 특성을 위한 최적의 라우팅을 연구하였다.  On the other hand, as a board for interfacing an electrochemical cell and an external PC, the PotentioStat + QCM condition considers the stability of noise and voltage supply and is produced through iterative simulation, and the EIS condition reduces the bandwidth and frequency noise to improve impedance measurement rate. RC time constant analysis is needed to improve the performance, and simulation is performed to study the optimal routing for the characteristics of impedance.

전기화학 셀 내의 측정된 전압과 전류값들은 DAQ Board를 거쳐 디지털 데이터로 변환된 후 분석 소프트웨어가 설치된 PC로 전송되어 교류 임피던스가 계산될 수 있다. The measured voltage and current values in the electrochemical cell can be converted to digital data via a DAQ board and sent to a PC with analysis software to calculate the AC impedance.

Potentiostat, EQCM 및 EIS 기능을 측정하기 위해서는 DAQ를 통한 OP_AMP 제어기 설계가 필요하다. 즉 전류, 전압 등을 제어 설계하여 다양한 Signal을 발생시켜야 하며, 각각의 분석법에 맞는 Signal을 제어하기 위해 DSP 내부에 OP_AMP를 제어할 수 있도록 알고리즘을 코딩하였다.To measure potentiostat, EQCM, and EIS functions, an OP_AMP controller design through DAQ is required. That is, various signals should be generated by controlling the current, voltage, etc., and the algorithm is coded to control OP_AMP inside the DSP to control the signal for each analysis method.

EIS의 경우 Digital Lock-in Amplifier 구조를 적용하기 위해 입력 하는 Signal Sinewave를 제어하며, Impedance Sinewave Signal의 경우 Data는 주파수에 따라 차등되어 50 ~ 1000개로 하였다. 그리고 Sinewave를 만드는 Data의 개수는 소프트웨어를 통해 변경 가능하도록 코딩하였다. In the case of the EIS, the input signal sinewave is controlled to apply the digital lock-in amplifier structure.In the case of the impedance sinewave signal, the data is differentiated according to the frequency to 50 to 1000. And the number of data to make sinewave is coded to be changeable through software.

PC내 GUI Interface는 Labwindows 소프트웨어를 이용하여 코딩하였고, 도 5에서와 같이, X, Y축은 Nyquist Plot의 Real, Image값을 표시하여 회로의 형태를 쉽게 판단할 수 있게 하였고, Z 축은 Potential 변화 충방전에 따른 임피던스의 변화를 표시하며, 구의 색깔은 주파수 변화를 표시하고, 구의 크기는 충방전시에 따른 Mass 변화에서의 EQCM 데이터를 표시함으로써, 통상적으로 사용되는 3차원 축에 추가하여 2개 이상의 변수로서 구의 크기 및 색의 변화를 변수로 사용하여 실시간 분석에 있어, 작업 전극의 표면변화에 따른 potentiostat 및/또는 EIS에서의 변화된 데이터의 변화를 실시간으로 PC내에서 직관적으로 추이를 관찰할 수 있도록 함으로써, 보다 직관적으로 측정 데이터의 시각적 가시화를 도모하도록 하였다.The GUI interface in the PC was coded using Labwindows software. As shown in FIG. 5, the X and Y axes display real and image values of the Nyquist Plot to easily determine the circuit form, and the Z axis is charged and discharged with potential change. It shows the change of impedance according to, the color of sphere shows frequency change, and the size of sphere shows EQCM data at mass change according to charging and discharging. In the real-time analysis using the change of sphere size and color as variables, the change of the data in potentiostat and / or EIS according to the change of the surface of the working electrode can be observed intuitively in real time in PC. In addition, the visual visualization of the measurement data was made more intuitive.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.

Claims (9)

전기화학반응이 일어나며, 수정 결정을 포함하는 작동전극, 기준전극 및 상대전극을 포함하는 전기화학 셀(cell);
상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액내 임피던스를 측정할 수 있는 임피던스 측정부(EIS);
상기 전기화학 셀과 전기적으로 접속되며, 상기 전기화학 셀의 작동전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM); 및
상기 임피던스 측정부와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하는 제어부;를 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치에 있어서,
상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
An electrochemical reaction occurs, the electrochemical cell including a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode including a crystal crystal;
An impedance measuring unit (EIS) electrically connected to the electrochemical cell and capable of measuring impedance in a solution in which an electrochemical reaction occurs;
An electrochemical quartz oscillation device (EQCM) electrically connected to the electrochemical cell and configured to read a change in frequency according to a change in mass of a working electrode of the electrochemical cell; And
An integrated electrochemical measuring apparatus comprising: a control unit for processing data input and output to the impedance measuring unit and the electrochemical quartz oscillation balance device,
The control unit may include a memory unit configured to simultaneously store data input / output to an impedance measuring unit (EIS) and data input / output to an electrochemical quartz oscillation scale device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that data of an impedance measuring unit (EIS) and data of an electrochemical quartz oscillation device simultaneously stored in the memory unit can be simultaneously processed by the operation unit. Chemical measuring device.
전기화학반응이 일어나며, 수정 결정을 포함하는 작동전극, 기준전극 및 상대전극을 포함하는 전기화학 셀(cell);
상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액으로 일정 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 읽어내는 정전압 분극 장치(potentiostat);
상기 전기화학 셀과 전기적으로 접속되며, 상기 전기화학 셀의 작동전극의 질량변화에 따라 주파수의 변화를 읽어들이는 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM); 및
상기 정전압 분극 장치(potentiostat)와 상기 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 처리하는 제어부;를 포함하는 통합적 전기화학 측정 장치에 있어서,
상기 제어부는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 정전압 분극 장치(potentiostat)의 데이터와 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.하는 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
An electrochemical reaction occurs, the electrochemical cell including a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode including a crystal crystal;
A constant voltage polarization device electrically connected to the electrochemical cell and applying a constant voltage to a solution in which an electrochemical reaction occurs and reading a current according thereto;
An electrochemical quartz oscillation device (EQCM) electrically connected to the electrochemical cell and configured to read a change in frequency according to a change in mass of a working electrode of the electrochemical cell; And
An integrated electrochemical measuring apparatus comprising: a controller for processing data input and output to the constant voltage polarization device (potentiostat) and the electrochemical quartz oscillation balance device,
The control unit may include a memory unit capable of simultaneously storing data input / output to a constant voltage polarization device (potentiostat) and data input / output to an electrochemical crystal oscillation balance device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that the data of the constant voltage polarization device (potentiostat) and the data of the electrochemical quartz oscillation balance device simultaneously stored in the memory unit can be simultaneously processed by the operation unit. Chemical measuring device. An integrated electrochemical measuring device, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 통합적 전기화학 측정 장치내 임피던스 측정부(EIS)는 상기 전기화학 셀과 전기적으로 연결되며, 전기화학 반응이 일어나는 용액으로 일정 전압을 인가하고 이에 따른 전류를 읽어내는 정전압 분극 장치(potentiostat)를 포함하며,
상기 제어부는 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터, 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터 및 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터를 동시에 저장할 수 있는 메모리부; 및 상기 메모리에 저장된 데이터를 처리하는 연산부;를 포함함으로써, 상기 메모리부에 동시 저장된 임피던스 측정부(EIS)의 데이터, 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터 및 전기화학적 수정진동저울장치의 데이터가 연산부에서 동시에 처리가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method of claim 1,
The impedance measuring unit (EIS) in the integrated electrochemical measuring device is electrically connected to the electrochemical cell, and includes a constant voltage polarization device (potentiostat) for applying a constant voltage to a solution in which an electrochemical reaction occurs and reading the current accordingly. ,
The controller may include a memory unit configured to simultaneously store data input / output to an impedance measuring unit (EIS), data input / output to a constant voltage polarization device (potentiostat), and data input / output to an electrochemical quartz oscillation scale device; And an operation unit configured to process data stored in the memory, such that data of an impedance measuring unit (EIS) simultaneously stored in the memory unit, data input / output to a constant voltage polarization device (potentiostat), and data of an electrochemical quartz crystal balance device are included. Integrated electrochemical measuring device, characterized in that the processing unit at the same time processing.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기화학적 수정진동저울 장치(EQCM)는 전기화학 셀의 작동전극내에 수정결정을 포함하는 셀(cell)을 구비하며, 또한 원하는 주파수만을 선택하여 발진하는 발진회로 및 수정 결정의 전극상에서 일어나는 주파수 변화를 측정하는 진동수 계측기(frequency counter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The electrochemical quartz oscillation device (EQCM) has a cell containing a crystal crystal in the working electrode of the electrochemical cell, and also a frequency change occurring on the oscillation circuit and crystal crystal electrode which selects and oscillates only a desired frequency. Integrated electrochemical measurement device comprising a frequency counter for measuring the frequency (frequency counter).
제4항에 있어서,
상기 통합적 전기화학 측정 장치의 제어부내 메모리부는 sRAM을 포함하는 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method of claim 4, wherein
The integrated electrochemical measuring apparatus of claim 1, wherein the memory unit in the control unit of the integrated electrochemical measuring apparatus includes an sRAM.
제4항에 있어서,
상기 통합적 전기화학 측정 장치의 제어부내 연산부는 메모리부에 저장된 데이터를 처리하여 외부의 PC로 데이터를 이송가능하며, 상기 외부의 PC는 하나의 응용프로그램에서 연산부로부터 제공받은 데이터를 처리하여 작동전극내 질량 변화와, 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값의 상관관계를 실시간으로 분석 가능한 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method of claim 4, wherein
An operation unit within the control unit of the integrated electrochemical measuring apparatus may process data stored in a memory unit and transfer the data to an external PC, and the external PC may process data provided from the operation unit in one application program to operate within the working electrode. An integrated electrochemical measuring apparatus, characterized in that it is possible to analyze in real time a correlation between a mass change and a potential potential value from a constant voltage polarizer or an impedance value from an impedance measuring unit (EIS).
제4항에 있어서,
상기 통합적 전기화학 측정 장치는 전기화학적 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉되어 결합되는 온도조절부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method of claim 4, wherein
The integrated electrochemical measuring device further comprises a temperature control unit which is coupled in direct contact with at least one of the electrochemical cell or the oscillation circuit.
제7항에 있어서,
상기 온도조절부는 히터 또는 펠티에 소자를 포함하는 플레이트가 전기화학적 셀 또는 발진회로 중 적어도 하나에 직접 접촉됨으로써, 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는 통합적 전기화학 측정 장치.
The method of claim 7, wherein
The temperature control unit integrated electrochemical measuring apparatus, characterized in that the temperature is controlled by the plate including the heater or Peltier element directly contact at least one of the electrochemical cell or the oscillation circuit.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 통합적 전기화학 측정 장치를 이용하여, 전기화학적 수정진동저울장치로 입출력되는 데이터와, 임피던스 측정부(EIS)로 입출력되는 데이터 또는 정전압 분극 장치(potentiostat)로 입출력되는 데이터중 적어도 하나를 제어부내 메모리부에 동시에 저장하고, 이를 동시에 처리함으로써, 전기화학적 셀의 작동전극내 질량 변화;와, 정전압 분극 장치(potentiostat)로부터의 전위 포텐셜값 또는 임피던스 측정부(EIS)로부터의 임피던스 값 중 적어도 하나;를 실시간으로 하나의 응용프로그램에서 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는, 전기화학적 셀내 작동전극의 질량변화와 셀내의 임피던스 또는 전류변화를 동시에 분석하는 방법. Using the integrated electrochemical measuring device of any one of claims 1 to 3, the data input and output to the electrochemical quartz oscillation balance device, the data input and output to the impedance measuring unit (EIS) or a constant voltage polarization device (potentiostat) By simultaneously storing at least one of the input and output data to the memory unit in the control unit, and processing it simultaneously, the mass change in the working electrode of the electrochemical cell; and the potential potential value or impedance measurement unit (EIS) from the constant voltage polarization device (potentiostat) At least one of the impedance value from;) can be analyzed in real time in one application, the method of simultaneously analyzing the mass change of the working electrode in the electrochemical cell and the impedance or current change in the cell.
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