음극(陰極)은 전기화학과 전자공학에서 사용되는 핵심 개념으로, 전극의 한 종류를 가리킨다. 한국어의 '음극'이라는 용어는 영어의 'cathode'(캐소드)와 음극(negative electrode, -극)이라는 두 가지 상이한 개념을 모두 포괄하는 경우가 있어 주의가 필요하다.
캐소드(cathode)로서의 음극
전기화학에서 캐소드는 환원(還元) 반응이 일어나는 전극을 의미한다. 환원 반응이란 화학 종이 전자를 얻는 과정으로, 캐소드에서는 외부 회로에서 전자가 전극으로 유입되어 그 옆에서 환원 반응이 진행된다. 이는 산화(酸化) 반응이 일어나 전자를 방출하는 애노드(anode)와 대비된다. '캐소드'라는 용어는 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 요청으로 윌리엄 휴얼(William Whewell)이 만들었으며, 그리스어 'κάτω(kato, 아래쪽으로)'와 'ὁδός(hodós, 길)'에서 유래하였다.
캐소드의 극성은 전지의 종류에 따라 달라진다. 갈바니 전지(건전지·배터리 등 자발적 반응을 이용하는 화학 전지)에서는 캐소드가 양극(+) 단자에 해당한다. 반면 외부 전원에 의해 비자발적 반응을 유도하는 전해 전지에서는 캐소드가 음극(-) 단자가 된다. 따라서 캐소드의 전하 부호는 해당 시스템의 작동 방식에 따라 변화한다.
음극(negative electrode)으로서의 음극
한국어에서 '음극'은 또한 두 전극 중 전위가 낮은 쪽, 즉 음극(-)을 가리키는 데에도 사용된다. 이 경우 양극(陽極, positive electrode)의 반대 개념으로, 전극 전위가 낮은 전극을 지칭한다. 표준환원전위가 낮은 전극이 음극에 해당한다. 배터리 산업에서는 방전 시 전자를 방출하는 애노드(산화전극)가 음극(-)에 해당하는 경우가 많아, '음극재'라는 표현이 리튬이온전지의 애노드 재료를 가리키는 데 사용되기도 한다.
주요 활용 분야
음극은 리튬이온 배터리, 연료전지, 전기분해, 전기도금, 음극 보호(cathodic protection), 진공관, 다이오드 등 다양한 분야에서 핵심 구성 요소로 기능한다. 리튬이온전지의 경우 음극재(애노드)로는 주로 흑연이 사용되며, 실리콘 등의 대체 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전극에 대한 체계적인 개념 정립은 19세기 초 마이클 패러데이와 윌리엄 휴얼에 의해 이루어졌으며, 이후 전기화학의 발전과 함께 음극의 개념도 정교하게 확립되어 오늘날까지 널리 사용되고 있다.
