Make Simulation a Part of Your Workflow
모든 화학 공정이 그렇듯이 목적에 따라 다른 규모의 전착의 영향에 대한 많은 연구를 할 수 있습니다. 미세 크기 단계에서 이것은 전착의 반응속도에 대해 다른 단계나 두드러진 조건의 영향과 연관된 전기화학 반응속도를 연구할 수 있는 것을 의미합니다. 반대 전극에서 미세 구조의 전극과 전기촉매를 조심스럽게 선택하는 것이 요구되며, 특히 손실을 최소화하는 것이 필요한 전해 채취에 더욱 조심해야 합니다. 공정을 해석하고 공정의 데이터나 실험을 비교하는 것은 전극 표면에서 이온 전달 반응 메커니즘을 이해하기 위해 필요할 것 이며, 각 반응에 대한 교환 전류 밀도와 이온 전달 계수 같이 전기화학 반응속도 변수를 얻어야 할 것입니다. 그런 메커니즘과 변수를 아는 것은 더 큰 규모에서 반응속도와 증착 또는 에칭의 분포를 해석할 수 있게 합니다. 동시에 셀과 전극 형상, 셀 전압 또는 부과된 전류, 마스킹과 쉴딩, 전해질 조성과 유동 흐름, 기체 발전, 그리고 온도와 같이 시스템의 운전조건을 고려할 수 있을 것입니다.
Electrodeposition Module의 기본이 되는 표준화된 COMSOL Desktop® 사용자 인터페이스는 COMSOL 제품군에서 제공하는 모든 제품을 추가해서 사용할 수 있게 되어 있습니다. 즉, 이상(two-phase) 유동의 영향을 해석하기 위한 CFD Module나 열 효과를 해석하기 위한 Heat Transfer Module과 같이 다른 모듈을 에칭이나 전착을 나타내는 물리 현상을 연동할 수 있습니다. 게다가, 구조적 무결성과 같은 예처럼 다른 물리적 특성도 전기화학 셀을 모델링 할 때 사용한 같은 모델 파일을 공유하여 모델링 할 수 있습니다. 이런 통일된 모델링 양식은 다른 분야에 걸쳐 같은 공정에서 일하는 엔지니어가 협력하도록 하는 완벽한 기능입니다.
Easy-to-use Tools for Modeling Electrodeposition and Electroplating cells
Electrodeposition Module은 전착되는 셀과 전착과 연관된 다양한 특성에 대해 쉽게 사용할 수 있는 수많은 기능을 제공하고 있습니다. 다음과 같은 기능들을 포함합니다:
Electrochemical Reaction Kinetics
반응속도 식을 해석된 변수의 임의의 함수가 될 수 있을 때, 전기화학적 이온 전달 반응을 정의할 수 있습니다. 변수의 예로 화학 물질 농도, 전극과 전해질 표면에서 국부적인 전극과 전해질의 전위차, 그리고 온도가 해당됩니다. 또한 Secondary Current Distribution과 Tertiary Current Distribution 인터페이스에서 교환전류밀도, 양전하전달계수와 음전하전달계수, 화학양론, 그리고 시스템에서 전극 반응에 대한 평형 전위 전극 반응에 대한 변수를 입력할 수 있습니다. 미리 정의된 식으로 버틀러-볼머(Butler-Volmer)와 타펠(Tafel) 식을 사용할 수 있습니다. 게다가 평판 전극에서 수소 방출을 추가하는 예처럼 전극 표면에서 몇 가지 경쟁 반응을 추가할 수도 있습니다. 3차 전류 분포의 경우에, 농도에 대한 변수를 사용하여 전극 반응속도 식에 전기활성 물질의 국부적인 농도로 전극 반응을 연동할 수 있습니다. 또한 농도 과전압의 영향에 대한 Nernst equation을 사용하여 농도 과전압을 추정할 수 있습니다.
Fluid Flow
층류와 다공성 매질에서 유동을 해석하기 위한 나비어-스톡스(Navier-Stokes equation), 다시 법칙(Darcy’s law), 브링크만 식(Brinkman equation)과 같은 인터페이스는 Electrodeposition Module 내에서 이용 가능합니다. 난류와 이상(two-phase) 유동은 CFD Module로부터 적절한 인터페이스를 연동하여 고려할 수 있습니다.
Electrodeposited Layers
Electrodeposition Module은 음극에서 증착된 층의 두께를 경계 이동에 따라 해석하여 전기화학공정에서 형상 변화의 영향을 확인하는 기능을 갖추고 있습니다. 벗겨지거나 성장하는 표면은 셀의 동작에 상당하게 영향을 줄 수 있으며, Electrodeposition Module은 해석의 한 부분으로 이런 변화를 고려합니다. 또한, 증착된 금속 층 또는 양극 두께 분산이 매우 작은 경우에 대해, 평판 층 두께를 추적하고, 형상의 실제적인 변화 없이 이것이 전극에서 옴의 효과에 어떻게 영향을 주는지 볼 수 있도록 하는 인터페이스를 선택할 수 있습니다. 대신 전극의 국부적인 전기 전도성에 영향을 미치는 두께에 대한 변수가 도입됩니다. 전극의 두께 변화는 화학양론비, 몰질량, 그리고 전극 반응에 대해 증착되거나 소비된 금속의 밀도를 정의 하여 전극에서 반응 속도식을 자동적으로 계산할 수 있습니다.
Current Balances in the Electrolyte and Electrodes
전류와 전하 보존과 같이 전해질에서의 이온 거동과 전극에서의 전자 전도는 Electrodeposition Module의 중요한 요소 입니다. Primary Current Distribution과 Secondary Current Distribution 인터페이스에서는 전해질의 이온 전달 현상은 확산의 영향을 무시하고 이온의 거동을 통해 이루어 지는 것으로 가정합니다. 이것은 전해질에서 혼합이 농도 구배를 충분히 무시할 수 있는 상황에서 유용합니다. 또한 2차 전류 분포 식은 전극 표면에서 경계층을 가로지르는 농도 변화에 대한 분석 식을 사용하여 전극 표면 가까이 농도 구배가 존재하는 경우 사용될 수 있습니다.
Tertiary Current Distribution 인터페이스는 전해질 내의 이온 전달은 확산, 대류, 그리고 이온 거동(Nernst-Plank Equation)에 의해 설명됩니다. 전류 밀도는 자동적으로 전류 밀도에서 이온의 전달현상으로부터 추가된 모든 영향을 통해 모듈에 의해 계산됩니다. 결론적으로, 전류 밀도는 전해질에서 상당한 농도분산이 존재할 때 요구되는 확산과 이온 거동에 의해 표현됩니다. 전극에서 전류 수지는 전극 반응을 통해 전극 표면에서 전해질의 전류 수지와 완전히 연동됩니다. 옴의 법칙은 전극에서 전류 전도를 나타냅니다. 또한 Electrodeposition Module은 도금 공정의 초반부에 스트라이크를 해석하기 위하여 얇은 금속 구조나 쉘(Shell)과 같은 전류 전달을 해석할 수 있는 인터페이스를 포함하고 있습니다. 이것은 전극에서 옴의 손실을 고려한 전해질의 전류 수지와 더불어 비전도 물질에 얇은 전착층을 해석할 수 있게 해 줍니다.
