전기 분해와 전기량

반도체 칩 속에는 머리카락 굵기의 수천분의 1인 구리 배선이 수 km나 얽혀 있다. 이 배선은 실리콘 웨이퍼를 황산 구리 용액에 담그고 전류를 흘려 구리를 입히는 전기 도금으로 만든다. 공장에서는 전류와 시간만 조절해 나노미터 단위의 두께를 맞춘다. 흘린 전기의 양과 입혀지는 구리의 양 사이에는 어떤 관계가 있기에 이렇게 정확할까?

전류 (A)

시간 (분)

3.8.1전기 분해

전지는 저절로 일어나는 산화·환원 반응으로 전기를 만든다. 전기 분해는 그 반대로, 바깥의 전원으로 전자를 밀어 넣어 저절로 일어나지 않는 산화·환원 반응을 일으킨다. 전원의 (−)극에 이은 전극에서는 전자가 들어와 용액 속의 양이온이 환원되고, (+)극에 이은 전극에서는 전자가 빠져나가 산화가 일어난다. 황산 구리 용액에서 도금할 물체를 (−)극에, 구리판을 (+)극에 이으면 물체 표면에는 Cu²⁺가 환원되어 구리가 쌓이고, 구리판은 산화되어 녹아 Cu²⁺를 채워 준다.

그림 1에서 전류와 시간을 바꾸어 보자. 1.5 A로 30분 흘리면 전하량은 \(1.5 \times 1800 = 2700\) C, 곧 전자 0.028 mol이다. Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu이므로 구리는 그 절반인 0.014 mol, 약 0.89 g이 쌓인다. 넓이 10 cm²에 고르게 쌓이면 두께가 약 0.1 mm이다. 전류를 두 배로 하거나 시간을 두 배로 하면 두께도 두 배가 된다. 그래서 전류계와 시계만으로 도금 두께를 정밀하게 조절할 수 있다.¹

3.8.2전기 분해로 만드는 물질

전기 분해는 산업에서 많은 물질을 만든다. 알루미늄은 산화 알루미늄을 녹인 액체를 전기 분해하여 얻는다. 알루미늄 이온은 전자 3개를 받아야 하므로, 1 kg을 얻는 데 구리보다 훨씬 많은 전기가 든다. 소금물을 전기 분해하면 염소 기체, 수소 기체, 수산화 나트륨을 함께 얻는다. 물을 전기 분해하면 수소를 얻는데, 재생 에너지로 만든 전기를 쓰면 탄소를 내놓지 않는 '그린 수소'가 된다. 같은 전하량으로 얻는 물질의 몰수는 이온이 받는 전자 수에 반비례한다.

3.8.3예제 풀이

입힐 구리의 부피는 \(10\ \text{cm}^2 \times 20 \times 10^{-4}\ \text{cm} = 0.020\) cm³이므로 질량은 \(0.020 \times 8.96 \approx 0.179\) g, 몰수는 \(0.179 \div 63.5 \approx 2.82 \times 10^{-3}\) mol이다.

구리 1 mol에 전자 2 mol이 필요하므로 전하량은 \(2 \times 2.82 \times 10^{-3} \times 96500 \approx 544\) C이다. 0.50 A로 흘리면 \(544 \div 0.50 \approx 1090\) s, 곧 약 18분이다. 실제 도금에서는 전류의 일부가 물의 분해 같은 다른 반응에 쓰이므로, 이론값보다 조금 더 오래 흘린다. 이 비율을 전류 효율이라 하며, 구리 도금은 보통 95% 넘게 효율이 높다. 즉 전기 분해에서는 전하량이 곧 물질의 양을 세는 저울이다.

아래 탐구 카드에서 전기 분해로 석출된 금속의 질량을 재어 패러데이 법칙을 확인하고, 산업에서 전기 분해로 만드는 물질을 조사해 보자.

1. 1997년 반도체 회사들은 칩 배선을 알루미늄에서 구리로 바꾸었다. 구리는 전기 저항이 알루미늄보다 약 40% 작아 신호가 빨리 전달되며, 전기 도금으로 아주 가는 홈 속까지 채울 수 있다.