Hydrogel pen for nanoscale electrochemistry : electrochemical characterization and metal 3D printing

Abstract

전기화학은 최근의 수십년동안 나노기술과 함께 빠르게 발전하였고, 이로 인해 다양한 분야에서 새로운 과학적 지식을 탐구하는 도구가 되었고, 실제 사람의 생활에도 많은 혜택을 가져다 주었다. 특히 나노수준의 계면에서의 전기화학은 미시세계의 탐구 및 나노물질과 높은 집적도의 디바이스를 만드는 데에 아주 유용한 방법을 제공해 준다. 본 연구에서는 전기화학을 위한 그 꼭지점이 서브마이크론 수준의 영역으로 모이는 미세한 피라미드 모양의 하이드로젤 펜을 제작하였다. 하이드로젤은 그 모양에 따라 정해진 전해질과 전극의 접촉면을 만드는데 유용하고, 끝이 뾰족한 하이드로젤은 미시적인 전기화학 계면을 제공해준다. 우리는 수치적인 시뮬레이션을 이용하여 이러한 피라미드 구조에서의 전기화학적 거동을 설명하였고, 관련된 이론을 세웠다. 시뮬레이션은 유한요소법에 의해서 피라미드 구조에서의 분자의 물질 이동에 관련한 전기화학적인 결과를 도출하였다. 도출된 결과를 검증하기 위해 페로센메탄올을 이용한 전기화학적 측정을 하는 실험이 수행되었다. 실험 결과, 페로센메탄올의 전기화학적 거동은 수립된 이론과 잘 일치하였고, 이론과 측정결과로부터 하이드로젤 펜의 정점을 이용하여 서브마이크론 수준의 전기화학 계면이 만들어졌음을 확인하였다. 이에 대한 검증을 위하여 하이드로젤 펜을 이용하여 백금의 전기도금을 수행하였다. 수용액 상태의 금속의 전기도금시 금속은 전기화학 계면에서 전극에 고체형태로 형성이 되고, 이는 실제 만들어졌던 전기화학계면의 증거가 될 수 있다. 그 결과 110나노미터 수준의 접촉면적이 만들어짐을 확인하였고, 하이드로젤의 접촉 면적과 위치를 조절하면서 전기도금을 수행하여 다양한 면적과 높이의 백금 구조물이 만들어졌다. 이는 하이드로젤 펜과 3차원 스캐닝 프로브 시스템을 이용하여 전기화학적으로 금속의 3차원 프린팅이 가능함을 보여주었다. 추가적으로 하이드로젤 자체의 신호변환 성질을 연구하였다. 하이드로젤의 역학적 변형은 젤 내부의 폴리머 구조를 변형시키고 이로 인해 젤 안에서의 분자거동이 바뀌게 된다. 하이드로젤의 압축에 따른 전기화학적인 활성을 가지는 페로센메탄올의 분자거동의 변화를 전기화학적으로 측정하였다. 이는 하이드로젤이 외부자극에 대한 신호를 전기화학적으로 변환할 수 있음을 보여주었다.