멀티플렉서의 대체 모드

대체 측정 방법

다음 기술들은 멀티플렉서의 대체 모드를 지원합니다:

• 크로노암페로메트리;
• 크로노포텐티오메트리;
• 개방 회로 전위차 측정법;
• (갈바노스태틱) 전기화학 임피던스 분광법.

아래 그림에서는 크로노암페로메트리 실험 시 각 채널에서 나타날 수 있는 전위 변화를 보여줍니다.

그림 1 – 교대 모드를 사용하는 멀티플렉서가 적용된 전형적인 크로노암페로메트리 측정 시 시간에 따른 적용 전위.

활성 채널은 전류가 샘플링되는 순간에만 설정된 전위에서 편극된다는 점에 유의하십시오. 다른 채널이 전환되거나 측정되는 유휴 기간 동안, 이 채널의 작동 전극은 유휴 상태로 전환됩니다.

중요 참고 사항 1/2

멀티플렉서를 사용하여 두 개 이상의 3전극 셀에 동시에 전위를 인가하는 것은 불가능합니다. 이를 위해서는 각 채널마다 독립적인 전위조절기를 갖춘 다중 채널 전위조절기가 필요합니다. 교대 모드(Alternate mode)는 일부 경우(예: 순수 저항성 부하)에서 유사한 응답을 생성할 수 있지만, 그 결과 나타나는 거동은 많은 전기화학 전지에 대해 대표적이지 않거나 적합하지 않을 수 있습니다.

셀 어레이를 사용한 대체 모드

유휴 채널의 동작은 선택된‘Unselected WE’ 설정에 따라 달라집니다. 사용 가능한 옵션에 대한 자세한 설명은 PSTrace 매뉴얼의 “MUX8-R2 설정” 섹션을 참조하십시오. “Unselected WE”를 GND로 설정할 때 설정된 전위를 올바르게 달성하려면, 모든 작동 전극이 동일한 셀에 위치해야 하며 공통의 결합된 기준 전극 및 대극(RE+CE)을 공유해야 합니다. 이 설정은 그림 2의 배열 (d)에서 보여줍니다.

그림 2 – 다양한 전극 및 셀 배열 예시. 점들은 셀 내의 전극을 나타냅니다: 빨간색 = WE, 검은색 = CE, 파란색 = RE, 검은색+파란색 = 결합된 RE+CE.

이 옵션을 3전극 시스템의 셀 어레이(도식 (c))와 함께 사용할 경우, 동작 방식이 달라집니다. 비활성 채널은 활성 채널과 동일한 셀 전위 (WE 대 CE)에서 분극됩니다. 동일한 셀 전위를 적용한다고 해서 반드시 동일한 분극 전위 (WE 또는 Sense 대 RE)가 되는 것은 아니며, 이는 우연히 일치하는 경우를 제외하고는 해당되지 않습니다. 이는 2전극 시스템에서는 셀 전위와 분극 전위가 동일하지만, 3전극 시스템에서는 그렇지 않기 때문입니다.

도식 (a)와 (b)에 표시된 것처럼 개별(분리된) 셀에 이 옵션을 적용할 경우, 유휴 채널의 대극(CE)과 기준극(RE)이 연결되어 있지 않기 때문에 유휴 채널은 분극되지 않습니다. 이 전극들 간의 연결을 강제할 경우—즉, CE와 RE 리드를 물리적으로 합치는 방식—유휴 채널은 활성 채널과 동일한 셀 전위(WE 대 CE)에서 분극됩니다. 셀 전위가 분극 전위와 동일한 2전극 시스템의 경우, 이는 배열 (b)에서 작동할 수 있습니다.

중요 사항 2/2

별도의(개별) 셀을 사용할 경우 대체 모드가 예상대로 작동하지 않을 수 있습니다. 이 구성에서는 각 셀에 인가된 전위가 설정된 전위와 일치하지 않기 때문에, 측정된 응답이 예상된 거동과 크게 다를 수 있습니다. 유일한 예외는 개방 회로 전위(OCP) 기법입니다. 이 기법은 포텐시오스타트 제어가 필요하지 않으므로, 개별 셀을 사용하더라도 유효한 결과를 제공합니다.

시간 간격 및 스위칭 시간

MUX8-R2 및 EmStat4 MUX의 경우, 채널 전환 시간은 2 ms입니다. 대체 모드로 작동할 때는 각 채널 전환 후 셀이 안정화될 충분한 시간을 확보하기 위해 최소 시간 간격이 제한됩니다:

• 1~ 8개의 채널이 선택된 경우, 허용되는 최소 간격 시간은 250 ms입니다.
• 9~ 16개 채널을 선택하면 허용되는 최소 간격 시간이 500 ms로 늘어납니다.

중요한 제한 사항 중 하나는 각 측정 지점을 샘플링하는 데 소요되는 시간입니다. 실제 샘플링 창은 순차 측정 시보다 훨씬 짧습니다. 예를 들어, 8개 채널에 대해 1초 간격으로 측정할 경우, 각 채널의 실제 샘플링 시간은 약 0.1초(1/8에 약간의 오버헤드가 추가된 값)입니다. 매우 짧은 시간 간격이 필요한 경우, 순차 모드에 비해 측정값에 노이즈가 더 많이 발생할 수 있습니다. 대부분의 전기화학 셀은 매우 짧은 샘플링 시간을 처리할 수 있지만, 이온 선택성 전극과 같은 일부 시료는 이러한 시간 단축에 민감할 수 있습니다.

전하 주입 및 이를 방지하는 방법

스위치를 켤 때마다 회로에 소량의 전하가 주입됩니다. 이는 스위치가 어떤 회로에도 속하지 않아 피드백 루프의 제어를 받지 않는 순간에 발생합니다. 스위치가 닫히는 순간, 과잉 전하가 측정 회로로 주입됩니다. 전하 주입량은 대개 적습니다(20 pC). 그러나 작은 전극이나 매우 민감한 전극을 사용하는 경우, 이 전하 주입만으로도 전극의 전위를 상당히 변화시키기에 충분할 수 있습니다. 연속 모드에서는 스위칭 이벤트가 한 번만 발생하며, 그 후 전극은 측정 기간 내내 자신의 OCP를 재설정할 시간을 갖습니다. 반면, 교대 모드를 사용할 경우 스위칭 이벤트가 빈번하게 발생하며 측정 간격이 매우 짧아집니다. 그 결과, 전극은 많은 양의 전하 주입을 받게 되며 OCP를 안정화할 시간이 거의 없습니다. 이로 인해 경우에 따라 OCP 측정값에 인공적 오류가 발생할 수 있습니다. 이 문제를 완화하기 위해서는:

• EmStat4 MUX를 사용 중인 경우, 카운터 전극 및 작동 전극 리드를 연결하지 않은 상태로 두기만 하면 됩니다. 감지 전극 및 기준 전극 리드는 이러한 영향으로부터 버퍼 처리되어 있으므로, OCP 전용 실험에는 이 리드들만으로도 충분합니다.
• MUX8-R2를 사용 중이라면, 이 애플리케이션 노트를 읽고 전하 주입을 방지하는 방법을 확인하십시오.