초록 ▼

연구개요
탄성중합체의 한 종류인 하이드로젤의 물리적, 화학적 특성을 조절하고 전기화학반응을 도입해서 외부자극(화학물질, 압력, 온도 등)에 감지하는 플랫폼을 제작했다. 센서의 성능을 평가하고 전자피부 분야에 응용 가능성을 제안하는 것을 목표로 한다. 그 과정에서 탄성중합체와 메탈이 접촉 시 일어나는 정전기 현상과 대전체가 수용액에서 유발하는 환원반응을 전기화학적으로 관찰하고 그 원인을 연구했다.
(1) 전자피부(E-skin)에 적용 가능한 최초의 전기화학적 감지 플랫폼 연구.
► 하이드로젤 내외부의 물리적 및 화학

연구개요
탄성중합체의 한 종류인 하이드로젤의 물리적, 화학적 특성을 조절하고 전기화학반응을 도입해서 외부자극(화학물질, 압력, 온도 등)에 감지하는 플랫폼을 제작했다. 센서의 성능을 평가하고 전자피부 분야에 응용 가능성을 제안하는 것을 목표로 한다. 그 과정에서 탄성중합체와 메탈이 접촉 시 일어나는 정전기 현상과 대전체가 수용액에서 유발하는 환원반응을 전기화학적으로 관찰하고 그 원인을 연구했다.
(1) 전자피부(E-skin)에 적용 가능한 최초의 전기화학적 감지 플랫폼 연구.
► 하이드로젤 내외부의 물리적 및 화학적 특성 최적화 연구.
► 하이드로젤의 모양, 두께 등 기계적인 구성과 신호 측정 방식 확립.
► 화학물질, 압력, 온도 등 외부자극에 대한 센서의 성능(performance) 확인.
(2) 탄성중합체와 접촉한 전도성 금속에서 일어나는 물리적 및 화학적 현상의 전기화학적 연구.
► 부도체인 탄성중합체와 접촉대전을 통해 전도성 메탈의 대전 메커니즘 연구.
► 대전된 메탈이 수용액에서 유발하는 산화환원반응 연구.

연구 목표대비 연구결과
► 3차원 고분자 구조에 90% 이상의 물을 포함한 하이드로젤은 그 종류와 농도, 두께, 모양에 따라 물리적, 화학적 특성이 결정된다. 따라서 외부자극을 받았을 때 기계적인 변형이 필수적으로 동반되는 하이드로젤의 기계적 성질을 최적화했다.
► 투명하고, 유연하고, 생체모방적인 하이드로젤을 피라미드 어레이 형태의 얇은 필름으로 제작하고 투명한 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)과 결합해 하이드로젤 플랫폼을 제시했다.
► 플랫폼 내부에는 외부환경에 민감한 전기화학적 활성물질을 도입하고, 자극에 대한 패러데이 전류 신호와 전기화학적발광(electrochemiluminescence, ECL)을 이용한 시각적인 신호를 감도지수(figure of merit)기반으로 분석했다.
► 탄성중합체와 접촉대전을 통해 금 전극에 생성되는 정전기와 라디칼의 메커니즘과 그것이 수용액에서 유발하는 산화환원반응의 원인을 연구했다.
► 탄성중합체로부터 이온들이 이동해 금 전극이 대전 되는 현상과 수용액에서 대전 된 전하가 반전되는 현상을 켈빈 프로브 현미경(kelvin probe force microscopy)으로 관찰했다.
► 개방회로전압(open-circuit potential, OCP), 벗김전압전류법(stripping voltammery, SV), 저전위증착(underpotential depostion, UPD) 등 전기화학적 측정을 통해 이온이동의 양, 전하량 등을 정량했으며, 수용액에서 산화환원반응을 일으키는 원인이 정전기가 아닌 기계화학적 활성(mechanochemical activation)으로 생성된 라디칼이 원인인 것을 제안했다.

연구개발결과의 중요성
► 특정 시스템은 센서라는 감각기관을 통해 외부환경의 변화를 감지한다. 4차 산업혁명이 진행되면서 많은 센서가 일상과 밀접한 곳에 이용될 것으로 예상한다. 이 상황에서 합리적인 가격과 좋은 물리적 특성, 제작방식의 간단함, 높은 성능을 가지는 센서는 필수적이다. 본 연구는 기존의 전극 어레이나 트랜지스터 어레이와 같이 비싸고 까다로운 제작법 대신 생체모방적이고 우수한 물리적, 화학적 특성을 가지는 하이드로젤을 전해질로써 이용한 최초의 전기화학적 전자 피부의 가능성을 나타냈고, 내부 전해질 교체로 여러 기능을 구현할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시해서 사람의 피부를 대체하는 로봇, 인공 피부 등에 새로운 가능성을 제안했다.
► 전기화학적 센서는 계면에서 일어나는 전기화학 반응을 기반으로 작동한다. 따라서 도체인 전극과 부도체인 탄성중합체 계면에서 물리적, 화학적 현상 대한 이해가 필요하다. 탄성중합체와 전극 사이의 접촉대전을 전기화학과 표면분석장비로 관찰한 결과 도체-부도체 계면에서 일어나는 대전 메커니즘과 기계화학적 활성으로 만들어진 라디칼이 수용액에서 산화환원반응에 원인이라는 것을 밝혀내, 후속 정전기나 에너지 전환 연구에 방향을 제시했다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• (1) 외부자극을 전기화학적으로 감지하는 하이드로젤 플랫폼 ... 4
• (2) 탄성중합체-전극 계면에서 일어나는 접촉대전 및 기계화학적 활성 현상과 그것이 유발하는 환원반응의 전기화학적 연구 ... 6
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 7
• 4. 참고문헌 ... 8
• 5. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 10