기능성 속옷에 대한 성인 남녀의 구매행동 특성

박미영 연세대학교 생활환경대학원 2006 국내석사

The purpose of this study were 1) to analyze male and female consumer attitudes on underwear purchase, 2) to understand how these consumer attitudes affect their future purchase of functional underwear products including functional material, and 3) by means of conclusions drawn from this study to help develop new functional underwear products, including new underwear material.To analyze the purchasing behavior of consumers with regard to choice of functional underwear, 400 people were surveyed. The sample included both men and women, in their 30's and 40's, living in Seoul, Kyeonggido, and Incheon. The data collected were analyzed through SPSS 12.0 for Windows, by frequency, factor analysis, cronbach' �� , t-test, and multiple regression.The results of this study are as follows;First, In analyzing the various factors affecting underwear purchasing behavior exhibited by both men and women, it was found that attitudes among women can be broke down into 6 sub-categories: design, conformity, brand, on-line purchasing, seasonality, and off-line purchasing. With respect to attitudes among men, there were 5 sub-categories identified: brand and design, conformity, on-line purchasing, seasonality, and off-line purchasing.Second, The analysis of male and female purchasing behavior toward functional material underwear shows that while women developed into one factor, men reported two factors namely health-promotion and odor-protection Third, The results of the male and female purchase experiences of functional material underwear show that while female consumers purchase were motivated by functions such as eliminating dampness, antifungal properties, and preventing odor, male consumers were founf to be motivated to purchase underwear for such factors such speeding up one's metabolism, eliminating dampness, and antifungal properties, as well as preventing static electricity. Factors influencing men and women's future purchasing intentions relevant to both include importance preventing odor, eliminating dampness, antifungal properties, and promoting circulation.The results show that future purchasing intentions are affected by past purchasing experience. Women who had bought functional underwear for the purpose of eliminating dampness, antifungal properties, preventing odor and men who had bought functional underwear for the purpose of speeding up their metabolism and promoting circulation, are more likely to have intentions to purchase functional underwear in the future.Fourth, The results of female purchasing behavior for different functional underwear designs shows that female have bought varieties of underwear which have functions, such as compressing the belly, hip-up, reducing the waist line, and pushing up breasts. The future purchasing intentions reveal that women intend to buy such underwear varieties as belly restraint, waist-line restraint, and invisibility. It is also revealed that purchasers of hip and breast enhancing underwear are more highly likely to buy functional underwear in the future.Finally, An analysis of the correlation between purchasing attitudes and purchasing behavior for functional underwear among male and female subjects shows that , for women, design and comfort factors have an effect on purchasing health-promoting underwear, while design, comfort, and off-line purchasing behavior factors affect purchasing behavior of odor protecting underwear. On the other hand, among men, design and brand factors have an effect on purchasing health-promoting underwear, while design, brand and seasonal factors affect purchasing behavior of odor protecting underwear. 본 연구는 남,녀 소비자의 속옷 구매태도 특성이 기능성 소재 속옷 및 기능성 보정 속옷의 향후 구매행동에 어떠한 영향을 미치는지 분석함으로써 그에 따른 기능성 속옷의 소비자 구매행동 특성을 이해하고, 신소재 및 고기능 소재 속옷, 기능성 보정 속옷의 상품 개발에 도움을 주고자 하였다.기능성 속옷에 대한 소비자의 구매행동을 분석하기 위하여 서울 및 경기도, 인천 지역의 30대와 40대 남성과 여성 소비자 400명을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 수집된 자료는 SPSS 12.0 for Windows 프로그램을 이용하여 분석하였다. 자료의 분석방법으로는 빈도분석, 요인분석, 신뢰도 검사, t - 검증, 다중회귀분석을 이용하였다.본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.첫째, 남,녀 소비자의 속옷 구매태도를 요인 분석한 결과, 여성은 디자인 추구 경향, 착용감 추구 경향, 브랜드 추구 경향, On-line 구매방식 추구 경향, 계절성 연관 추구 경향, Off-line 구매방식 추구 경향의 6개 하위 차원으로 구성되었으나, 남성은 브랜드 및 디자인 추구 경향, 착용감 추구 경향, on-line 추구 경향, 계절성 연관 추구 경향, Off-line 구매방식 추구 경향의 5개 하위 차원으로 도출되었다.둘째, 남,녀 소비자의 기능성 소재 속옷의 구매행동을 분석한 결과는 여성은 단일요인으로 나타났으며, 남성은 건강증진 기능 소재, 유해차단 기능 소재의 2개 하위 차원으로 구성되었다.셋째, 남,녀 기능성 소재 속옷의 구매경험을 비교 분석한 결과, 여성은 흡습 및 항균 기능, 냄새제거 기능성 속옷을 구매한 경험이 높았으며, 남성은 신진대사 촉진 기능, 흡습 및 항균 기능, 정전기 방지 기능의 속옷에 구매경험이 가장 많은 것으로 나타났다. 남,녀 기능성 소재 속옷의 향후 구매의사는 남,녀 모두 냄새제거 기능, 흡습 및 항균 기능, 혈액순환 기능 소재 순으로 높게 나타났다. 구매경험 유,무에 따른 향후 구매의사는 여성이 흡습 및 항균 기능과 냄새제거 기능 소재 속옷을 구매한 소비자가, 남성은 신진대사 촉진 기능 및 혈액순환 기능에서는 구매경험이 있는 소비자가 향후 기능성 소재 속옷의 구매의사도 가장 높은 것으로 나타났다.넷째, 여성의 기능성 보정 속옷 구매행동을 분석한 결과 배가 날씬해 보이게 하는 기능, 엉덩이를 올려주는 기능, 허리를 날씬하게 해주는 기능, 가슴을 쳐져 보이지 않게 하는 기능의 속옷 순으로 구매빈도가 높게 나타났다. 향후 구매의사는 배가 날씬해 보이게 하는 기능, 허리가 날씬해 보이게 하는 기능, 겉에 속옷 선이 드러나지 않는 기능 순으로 나타났다. 엉덩이를 올려주는 기능과 가슴이 처져 보이지 않게 하는 기능의 보정 속옷을 구매한 소비자가 향후 기능성 보정 속옷에 대한 구매의사가 높은 것으로 분석되었다.다섯째, 남,녀의 속옷 구매태도와 기능성 소재 속옷의 구매행동과의 관계를 분석한 결과, 여성은 디자인 추구 경향 및 착용감 추구 경향이 건강증진 기능 소재 속옷의 구매행동에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 디자인 추구 경향, 착용감 추구 경향, Off-line 구매방식 추구 경향이 유해차단 기능 소재 속옷의 구매행동에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 남성은 디자인 및 브랜드 추구 경향이 건강증진 기능 소재 속옷의 구매행동에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 디자인 및 브랜드 추구 경향과 계절성 연관 추구 경향이 유해차단 기능 소재 속옷의 구매행동에 영향을 미치는 것으로 나타났다

Machine Learning for Material Property Prediction and Analysis

Magar, Rishikesh Carnegie Mellon University ProQuest Dissertations 2023 해외박사(DDOD)

The discovery of novel materials can significantly impact the quality of human life on the planet and make it more sustainable. Furthermore, novel materials can play a crucial role in technological advancements and enable innovations in industries such as healthcare and energy. However, the quest for new material discovery involves parsing the vast chemical space of materials. Navigating this vast chemical landscape to identify and synthesize materials with desirable properties is a big challenge. Considering the large scale of chemical space, developing advanced computational methods that can access this space effectively is very important. Computational methods that can accurately predict material properties can especially be leveraged for new material development. Accurate predictions can lead to the discovery of new materials with desirable properties for specific applications and reduce the time and cost associated with new material development. This dissertation investigates the potential of leveraging machine learning (ML) models as a more efficient computational tool for material property prediction and discovery.Traditionally, computational methods like Density Functional Theory (DFT) simulations have been used for high throughput screening and rapid prediction of material properties. Advancements in computational capabilities have enabled the large-scale usage of DFT simulations, yet parsing the entire chemical space and predicting the properties for all the possible materials is practically impossible due to the computational demands of these methods. Data-driven methods such as Machine Learning(ML) can learn patterns in the data and can be a viable alternative for DFT simulations. In general, ML models learn the material representations which can be leveraged to predict material properties at a fractional computational cost compared to DFT. Consequently, these models can be used as a screening tool to identify promising novel materials in the enormous chemical space which can then be further validated through experiments or DFT simulations.This dissertation explores various ML paradigms for material property prediction, encompassing Graph Neural Networks, Self-Supervised Representation Learning, Pretraining Strategies for Structure Agnostic Representation Learning, and Large Language Models. The primary aim of this work is to demonstrate the potential of ML models in accurate material property prediction and, as a result, catalyze novel material discovery through the application of machine learning.

Advanced RF electronics using hybrid printing technology and functional materials

박의용 중앙대학교 대학원 2023 국내박사

Radio frequency (RF) devices are rapidly expanding the applications and moving toward ultra-connected and ultra-space. As a result, RF devices must satisfy not only basic RF performance, but also additional features such as flexibility, stretch ability, foldability, low-cost, eco-friendly, and health-harmlessness to apply in wearable, bio, and internet of things, etc. To fulfil these requirements, it is essential to use functional materials with unique properties and fabrication techniques that enable them to be utilized. Therefore, it is important to understand the limitations, advantages, and material characteristics, EM properties of newly applied functional materials and new fabrication techniques to apply them to RF electronics. In this dissertation, we presented four advanced RF electronics that were first derived and demonstrated using hybrid printing technology and functional materials. To implement the advanced RF electronics, hybrid (three-dimensional (3D), inkjet printing, water-based solution process, screen printing) fabrication technology and functional material (vanadium dioxide) were utilized and developed. The first proposed RF electronics is microfluidic RF sensor using hybrid printing technology which inkjet print directly onto a 3D printed microfluidic structure. Conventionally, the bonding process or bonding material used to combine the microfluidic channel with the RF sensor have limited to fully utilize the electric field. Therefore, we proposed a method to implement RF sensors by inkjet printing directly on 3D printed structures for the first time. The proposed hybrid printing technology can removes the bonding process and materials and can improve the sensitivity of microfluidic sensors. In addition, this allows RF electronics to be inkjet-printed with high conductivity (8×106 S/m) and high fabrication resolution (50 um) as a surface modification of the 3D printed mold without bonding process and bonding materials. The proposed approach increases interaction between the printed RF part and fluid material by adjusting the distance between them. The proposed fabrication process is applied to a phase advanced and delayed transmission line operating at 3.8 GHz operating as a fluidic sensor. Consequently, the phase shift range per microliter increased to 10° compared with 1° for phase shift transmission lines using the same pattern. The second proposed RF electronics is a foldable RF energy harvester (RFEH) implemented within single surface untreated general paper using hybrid printing technology which combines wax printing and water based solution process. Conventionally, because surface untreated paper has high surface roughness, and hygroscopicity, the specially treated paper have been used in RF electronics such as coating paper and nano-cellulose paper. But these papers have limitation in RF electronics for foldability or fabrication resolution or cost or Via-hole fabrication. The wax printing and water solution process, proposed for the first time in this study, offers a high fabrication freedom on general paper. The wax used is absorbed inside the paper and acts as a 3D mask, which can form patterned conductors on both sides while maintaining the homogeneous of the paper, and via-hole formation is also possible. The developed fabrication method is applied to fabricate a foldable RFEH system. The RF/DC conversion efficiency is 60%, and when transmitting 50 mW of power from 50 mm, the supercapacitor with a maximum charge voltage of 2.1 V is fully charged in 100 seconds. In addition, we confirmed that the novel method give the stable foldability, with RFEH performance maintained up to a fold angle of 150°. The third proposed RF electronics is flexible and frequency reconfigurable (FAR) mm-wave metasurface absorber using functional materials, screen printable vanadium dioxides (VO2). Recently, metasurface absorbers have been researched for applications in RF energy harvesters, wearable RF devices, and stealth applications, which require flexibility. On the other hand, metasurfaces have an intrinsic narrow bandwidth due to their strong resonance. Resistive patterns or devices can be used to increase the bandwidth, but they require thicker substrates, making them unsuitable for flexible electronics. Therefore, a large-area fabricatiable, flexible and tunable device is needed to solve these limitations. In this study, we developed a screen-printable flexible VO2 and applied it to a FAR millimeter-wave absorber for the first time. The 40-um-thick VO2 switches arrays not only meet the requirements as RF switches in the absorber, but also have large-area manufacturability and high flexibility. Flexibility and repeatability were tested with up to 2,000 bending cycles at a 25 mm bend radius. The 400 switches printed on a 144×144 mm2 PET substrate have a fabrication yield of 98% and an On/Off resistance ratio of 300. Absorption frequency was switchable from 14 to 28 GHz at 150 mm bend radius while retaining better than 90% absorptivity as a frequency reconfigurable mm-wave absorber. Therefore, the proposed VO2 switch array would be suitable for scalable 5G and 6G FAR electronics. The last proposed RF electronics is low cost sub-THz intelligent reflective metasurface (IRS) using functional material, screen printable VO2. To construct an IRS, active elements with tunable RF characteristics are required for each unit structure, and electrically tuning elements such as p-i-n diode have been used in the past. However, sub-THz IRS has a smaller design space due to its smaller wavelength, and requires more active elements to achieve high IRS efficiency. On the other hand, as the frequency increases, the cost per element becomes higher, making the use of conventional tunable elements in IRS less cost efficiency. Therefore, we propose a low-cost and large-area sub-THz IRS using screen-printed VO2 switches at the first time. For column control, IRS with VO2 is combined with a field programmable gate array (FPGA) and control board. In addition, to apply VO2 to sub-THz IRS, we have developed VO2 inks with a phase change ratio greater than 1,000. The Code 0 was set to a DC voltage of 0.01 V and Code 1 to a DC power of 7 V. Measured results show that when Code 0101 is entered, the reflected wave is formed at ± 68.5°. When Code 0011 is entered, the reflected wave is formed at -28.5° and +30°. When Code 000111 is entered, the reflected waves are formed at -20° and +18°. When Code 00001111 is entered, the reflected waves are formed at -13.5° and +15°. The results for each code are consistent with the EM simulation and calculation values. In addition, every mode has more than 10 % frequency bands where the increased reflection magnitude than copper was used is greater than 10 dB. 무선 전자기기는 초 연결, 초 공간을 향해 빠르게 응용 분야를 확장하고 있습니다. 이에 따라 RF 소자는 기본적인 RF 성능뿐만 아니라 의류, 의료, 사물인터넷 등에 적용하기 위해 유연성, 신축성, 저비용, 친 환경, 인체 무해 등의 추가 기능도 만족해야 합니다. 따라서 고유한 특성을 가진 기능성 소재의 사용 및 기능성 소재를 통해 RF 소자를 개발하기 위한 제조 기술이 필수적입니다. 결과적으로 다양한 어플리케이션에 적용 가능한 첨단 RF 소자의 개발을 위해서는, RF 이론을 바탕으로, 기능성 소재의 한계와 장점, 전자기 특성, 그리고 새로운 제조기술에 대한 이해도를 지니는 것이 중요합니다. 본 논문에서는 이종 인쇄 기술과 기능성 소재를 활용하여 최초로 고안되고 검증된 4가지 RF 전자소자를 제시하였습니다. 인쇄기술로는 3차원(3D)인쇄, 잉크젯 인쇄, 수용액 공정, 스크린 인쇄기술이 사용되었으며 기능성 소재로는 스크린프린팅 가능한 이산화바나듐 (VO2)이 개발되어 사용됐습니다. 첫 번째로 제안된 RF 전자기기는 3D 프린팅 된 미세 유체 구조에 직접적으로 잉크젯 인쇄를 하는 인쇄 기술이 적용 된 미세 유체 RF 센서입니다. 기존에 미세유체 채널과 RF 센서의 결합을 위해 사용 되던 접합 공정이나 접합 재료는 미세유체 RF 센서가 전기장을 충분히 활용할 수 없게 했습니다. 따라서, 우리는 처음으로 3D 프린팅 된 구조체에 직접 잉크젯 프린팅을 하여 RF 센서를 구현하는 방식을 제안했습니다. 제안 된 인쇄 방식을 통해 접착 공정과 접착 재료 없이도, 3D 프린팅 구조체 위에 높은 제작 해상도(50 um)로 제작 가능한 RF 센서를 잉크젯 프린팅 할 수 있습니다. 결과적으로, 3D 프린팅 미세유체채널 부와 잉크젯 프린팅 RF 센서 부는 하나의 공정으로 통합되며, 인쇄된 RF 센서와 유체 재료 사이의 거리를 조절함으로 유체에 대한 감도를 증가시킵니다. 제안된 제조 공정은 유체 센서로 작동하는 3.8 GHz에서 작동하는 위상 전진 및 지연 전송 라인에 적용되었으며, 그 결과, 1ul 당 위상 편이 범위가 10°로 동일한 패턴을 사용하는 RF 센서에 비해 10배 증가했습니다. 두 번째로 제안된 RF 전자기기는 왁스 인쇄와 수용액 공정을 결합한 인쇄 기술을 사용함으로, 표면처리 되지 않은 일반 종이 한 장에 구현된 폴더블 RF 에너지 하베스터 (RFEH)입니다. 기존에는, 표면 처리되지 않은 종이의 경우, 높은 표면 거칠기 및 흡습성으로 인해 RF 전자기기에 적용되지 못했으며, 대신 코팅지, 나노 셀룰로오스 종이 등 특수 처리된 종이가 RF 전자기기에 사용되어 왔습니다. 하지만 이러한 종이들은 접을 수 있는 크기나 제작 해상도, 비용, 비아홀(Via-hole) 제작불가 등의 이유로 RF 전자기기 구현에 한계를 지닙니다. 본 연구에서 처음으로 제안되는 왁스 인쇄 및 수용액 공정은 일반 종이에 높은 제작 자유도를 제공합니다. 사용된 왁스는 종이 내부에 흡수되어 3D 마스크 역할을 함으로써 종이의 균질성을 유지하면서 양면에 패턴 도체를 형성할 수 있고, 비아-홀 형성도 가능합니다. 개발된 제작 공법은 종이 한 장에 폴더블 RFEH 를 구현하는데 사용되었습니다. 제작된 샘플은 60% RF/DC 변환 효율을 가지며, 50㎜에서 50mW의 전력을 전송할 경우 최대 충전 전압 2.1V인 슈퍼커패시터를 100초 만에 완전 충전할 수 있음이 확인되었습니다. 또한, 높은 기계적 안정성을 바탕으로 150°의 접힘 각도까지 RFEH 성능이 유지되는 것이 확인했습니다. 세 번째로 제안된 RF 전자기기는 기능성 물질인 스크린 프린팅 가능한 이산화바나듐(VO2) 을 이용해 구현 된 유연하고 주파수 재구성이 가능한(FAR) 밀리미터파 메타표면 흡수체입니다. 최근 메타표면 흡수체는 유연성이 요구되는 RF 에너지 하베스터, 의류형 RF 소자, 스텔스 분야에 적용을 목표로 다양하게 연구되고 있습니다. 반면에 메타표면은 강한 공진으로 인해 본질적으로 좁은 대역폭을 가지고 있습니다. 저항 패턴이나 소자를 사용하여 대역폭을 늘릴 수 있지만 더 두꺼운 기판이 필요하므로 유연성 은 낮아지게 됩니다. 따라서 이러한 한계를 해결하기 위해서는 대면적 제작이 가능하고 유연성을 지니는 가변 소자가 필요합니다. 이에, 본 연구에서는 스크린 인쇄 가능한 플렉서블 VO2를 개발하여 처음으로 FAR 밀리미터파 흡수체에 적용했습니다. 40 um 두께의 VO2 배열 스위치는 흡수체 RF 스위치로서 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 대면적 제조 가능성과 높은 유연성을 갖췄습니다. 유연성과 반복성은 25 mm 굽힘 반경에서 최대 2,000회의 반복 구부림 테스트로 확인됐습니다. 144×144 mm2 PET 기판에 인쇄된 400개의 스위치는 98%의 제조 수율과 300의 On/Off 저항비율을 가졌습니다. 제작 및 측정결과, 주파수 가변 가능한 밀리미터파 흡수체는 150 mm 굽힘 반경에서 90% 이상의 흡수율을 유지하면서 14 GHz 에서28GHz로 흡수 주파수를 가변 됨이 확인 되었습니다. 마지막으로 제안된 RF 전자기기는 기능성 물질인 스크린 프린팅 가능한 이산화바나듐(VO2) 이용한 저비용 sub-THz 지능형 반사 메타표면체(IRS)입니다. IRS를 구성하기 위해서는 각 단위 구조마다 가변소자가 필요하며, 기존에는 P-I-N다이오드와 같은 전기적 튜닝 소자가 사용되어 왔습니다. 하지만 sub-THz IRS는 파장이 짧아 설계 공간이 좁아지는 만큼, 더 많은 가변 소자를 필요로 합니다. 반면, 주파수가 높아질 수록, 소자당 비용은 더 높아지기 때문에 IRS에 기존 가변 소자를 사용하는 것은, 가격측면에서 효율을 떨어뜨립니다. 따라서 이번 연구에서 우리는 최초로 스크린 인쇄 VO2 스위치를 sub-THz 대면적 가변소자로 사용하는 저비용 sub-THz IRS를 제안합니다. 빔 제어를 위해서, VO2 배열스위치는 Column 제어가 되며, 이를 위해 IRS는 field programmable gate array (FPGA) 및 제어 보드와 결합됩니다. 또한, VO2를 sub-THz IRS에 적용하기 위해 위상 변화율이 1,000보다 큰 VO2 잉크를 개발했습니다. 코드 0은 0.01 V의 직류 전압으로, 코드 1은 7 V의 직류 전력으로 설정했습니다. 측정 결과 코드 0101을 입력하면 반사파가 ± 68.5°에서 형성되며, 코드 0011을 입력하면 반사파가 -28.5° 및 +30°에서, 코드 000111을 입력하면 반사파는 -20° 및 +18°에서 형성됩니다. 마지막으로 코드 00001111을 입력하면 반사파는 -13.5°와 +15°에서 형성됩니다. 각 코드의 결과는 EM 시뮬레이션 및 계산 값과 일치합니다. 또한 모든 모드에서 구리판 대비 반사계수10 dB 이상 기준, 10% 이상의 대역폭을 가집니다.

(A) Pilot Study on the Effects of Black Garlic-Derived Materials on Skin Microbiome

이상희 세종대학교 대학원 2021 국내석사

Several cosmetic products that contain food-derived ingredients have been reported to show beneficial effects for the skin, such as moisture control, elasticity improvement, anti-aging, and UV protection. Black garlic is known to have antioxidant activity, which attracting attention as a valuable functional material that is expected to apply to cosmetic materials. Auto-immune skin diseases, which include atopic dermatitis and chronic inflammatory, showed association with skin microbial structures and compositions. An integrated study is needed about the effects of food-derived materials on the skin microbiome. This study aimed to confirm the effect of cream that contains black garlic-derived materials on the skin microbiome. A total of 23 subjects participated in the preliminary experiment to determine the impact of the cream on the skin microbiome. Skin swab samples were obtained from each cheek before and 2 hours after applying the moisturizing cream. In the first main project, a total of 21 female subjects participated to demonstrate the impact of the functional growth factor ingredients in the cream on the skin microbiome. Skin swab samples were obtained from the cheek after applying for four weeks. In the second main project, a total of 12 female subjects participated in determining the impact of black garlic extract on the skin microbiome. After applying the cream containing the black garlic extract on the cheek for five days, skin swab samples from day 1 and day 5 were obtained. As a result of the preliminary experiment, when the cream was applied to the skin, there were fewer changes with the skin microbiome structure in relation to the non-treated skin site. The changes in the microbial composition were found to be greater with the cream-applied samples. This suggests that the biophysical conditions of the skin that were affected by the cream caused a change in the major bacteria. Since the bacterial composition showed significant differences between the female and the male subjects, further main projects were conducted only for the females. The first main project results showed a difference with the relative abundance of Lactobacillus when a cream that contained the functional growth factors was applied. These bacterial changes were more clearly observed with the subjects who had improved clinical effects. As a result of the second main project, the microbial diversity increased in the skin site applying the cream contained the black garlic derived materials. The relative abundance of Alistipes, which is mainly found in the skin from a young age, has increased. This suggests that the black garlic derived materials have the potential to transform skin microbiome into the bacterial structure at a young age. In conclusion, this study shows that the use of the cream induces changes in the skin microbiome. It was confirmed that the functional growth factors ingredients cause changes in the skin microbiome. When a cream that contained black garlic extract was applied, the subject's skin microbiome was improved. This study is meaningful in that it studied comprehensively the correlation between the cream containing black garlic-derived materials and the skin microbiome.

Studies on photo-induced reactive oxygen species applied to the functional biomaterials

허일 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

Reactive oxygen species (ROS) have been studied in the chemical and biological fields for a long time as chemically reactive molecules including oxygen atoms. Chemically, ROS can be produced through the triplet state of the photosensitizer when light energy is introduced into the photosensitizer, and in the biological field, it is also a natural by-product of metabolism of aerobic organisms. Such ROS are known to play an important role in cellular signal transduction systems, and maintenance of intracellular ROS homeostasis has been shown to be important for cell growth and survival. Based on this, various studies have been conducted on the behavior of cells due to additional oxidative stress caused by external ROS. Especially, the photodynamic inactivation (PDI) of cancer cells and bacteria through photo-induced R is one of the important research topics. At the beginning of the study, the method of directly injecting a photosensitizer into the infected part of the body was used, but problems such as cytotoxicity, unintended chemical reaction and non- selectivity of the photosensitizer appeared. In order to solve this problem, studies have been conducted to directly or indirectly introduce photosensitizers into various biocompatible materials according to therapeutic purposes. In this study, Photo-functional biomaterials were prepared by introducing photosensitizers into biocompatible metal, polymer, and nanomaterial, and the photo- physical properties of the materials were investigated through various analysis equipment. In addition, according to the purpose of the photo-functional biomaterials, the study proposed various application possibilities such as antibacterial effect, biofilm removal and formation inhibition, selective cancer cell death. Chapter I describes the mechanism and measurement method of ROS through general photosensitive molecules, and describes the photodynamic inactivation of harmful biomaterials and applicable biocompatible materials. Chapter II describes the results of introducing photo-functionality into selected biomaterials for each application. Section I introduces research on photo-functional collagen sponges that can be applied as antibacterial dressing agents to various parts of the body. A photosensitive agent was bonded to a bio-friendly collagen sponge through chemical covalent bonds. TGA/DSC analysis confirmed the binding of the photosensitive agent to the material, and the photo-physical properties were confirmed by the steady-state absorption and fluorescence spectroscopy. The photo-induced ROS expression of the material was verified through photocatalytic experiments, and the antibacterial effect against E. coli was confirmed by the generated photo-induced reactive oxygen species. In addition, it was confirmed that induced ROS were not toxic to human fibroblast cells under the same experimental conditions, thereby confirming their applicability to biocompatible biomaterials in vivo and in vitro. Section II introduces the research on the development of photo-functional antibacterial implant materials by introducing photosensitizers into titanium alloys. After the photosensitizer was introduced into the titanium alloy, the binding was confirmed by XPS analysis, and the photo-physical properties of the material were confirmed through steady-state absorption and fluorescence spectroscopy. After the biofilm was formed on the surface of the material, light was irradiated to confirm the effect of removing the biofilm by photo-induced ROS, and the effect of inhibiting biofilm formation on the material was also confirmed. In addition, when the cytotoxicity test on the HUVECs under the same experimental conditions, it was confirmed that the photo- induced ROS does not have toxicity to human cells. Chapter III introduces research on photo-functional hybrid nanomaterials (PHN) that selectively have anticancer effects on target cancer cells. The material was confirmed to have biocompatibility and stability without loss of original function in the culture medium of the cell. Photo-induced treatment with KB, HeLa and MCF-7 cells confirmed that KB cells were more effectively treated with lesser amounts of PHN than other cells. Therefore, it was confirmed that the prepared photo-functional nanomaterials could be used as a magnetic PDI therapeutic agent having selectivity for positive cancer cells through folic acid receptors. Finally, Chapter IV summarizes the results of each study.

Synthetic Methodology and Various Applications for Versatile Functional Polymers: Chemo-Sensing, Multi-Color Luminescence, and Controlled Self-Assembly

황순혁 서울대학교 대학원 2023 국내박사

The academic researches on functional polymers have been driven to meet the continuous demand for new functional materials that can be used in industrial applications. Polymers can possess specific functions by either certain polymerization methods, modulating functional groups, or external stimuli. In addition to the chemical structure of polymer chains, morphology of nanostructures has great effects on the resulting functions. To facilitate the development of new functional polymers, numerous research efforts have been devoted toward new polymerization methodologies. However, the tedious process for monomer preparation has been one of the primary factors for retarding the creation of functional polymers. This dissertation describes an example of developing a polymerization methodology to overcome the factor slowing the growth of the functional polymer field. Furthermore, we demonstrate several research directions, including stimuli-responsive polymeric materials, luminescent materials, and semiconducting nanostructures. Because of the intrinsic feature of [3,3]-sigmatropic rearrangement undergoing simultaneous bond formation and breakage, this versatile reaction has not been utilized in polymerization. Chapter 2 demonstrates the development of a new tandem diaza-Cope rearrangement polymerization (DCRP) that can synthesize polymers with defect-free C–C bond formation from easy and efficient imine formation. This polymerization produces chiral polymers containing enantiopure salen moieties, which lead to high-performance Zn2+-selective turn-on chemosensors with high amplification. It is desirable to develop a versatile and efficient synthetic method capable of predictably preparing multicolor fluorophores under a single set of synthetic conditions or, more desirably, from a common reagent. In this regard, Chapter 3 describes direct C−H amidation (DCA) as an efficient synthetic method to prepare a library of multicolor fluorophores, even including a compound capable of emitting white-light via an excited-state intramolecular proton-transfer (ESIPT) process. Furthermore, due to the excellent synthetic efficiency, regardless of the positions of functional groups and their electronic properties, DCA could result in the predictable preparation of targeted fluorescence. Enormous research efforts for preparing white-light-emitting polymers have focused on multi-fluorophore-based random copolymers to cover the entire visible region effectively. However, the conventional strategy suffers from poor color reproducibility. By taking advantage of modular synthesis demonstrated in Chapter 3 to incorporate various substituents, Chapter 4 describes a powerful direct C–H amidation polymerization (DCAP) strategy to afford single-fluorophore-based white-light-emitting homopolymers with excellent color reproducibility via ESIPT process. Furthermore, because this polymer emits white-light even in the solid state (powder and thin film) without the help of another matrix, we could easily fabricate white-light-emitting coated LED by a solution process. While the precise size and morphological controls of semiconducting nanomaterials from conjugated polymers are crucial for optoelectronic applications, the low solubility of the polymers makes this challenging. Lastly, in Chapter 5, we describe a powerful crystallization-driven in situ nanoparticlization of conjugated polymers (CD-INCP) strategy to afford length-controlled one-dimensional (1D) semiconducting nanoparticles directly during living Suzuki-Miyaura catalyst-transfer polymerization (SCTP), which could enhance preparation efficiency. 산업적 응용에 활용될 수 있는 새로운 기능성 물질에 대한 수요가 끊임없이 지속됨에 따라, 이를 충족시키기 위해 기능성 고분자에 대한 다양한 학술연구들이 활발히 진행되어 왔다. 고분자에 기능성을 부여하는 것은 특유의 중합법 활용, 작용기 도입의 조절, 혹은 외부자극 등 다양한 방법을 통해 가능해진다. 이러한 기능성 고분자의 성능은 고분자 사슬의 화학 구조뿐만 아니라, 나노구조체의 형태에도 큰 영향을 받기 때문에 추가적인 기능을 이끌어내는 것이 가능해진다. 새로운 기능성 고분자 개발을 촉진시키기 위한 노력의 일환으로, 새로운 중합법 개발에 대한 수많은 연구들이 활발히 지속되어 왔다. 그러나, 기능성 고분자 개발의 촉진을 저해하는 여러 요소들 중 복잡하고 긴 단량체 준비과정이 주된 요인으로 작용해왔다. 이러한 맥락에서, 본 논문은 기능성 고분자의 발전을 저해하는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 중합법의 개발 사례를 보고한다. 또한, 자극-감응 고분자 재료, 발광 재료, 전도성 나노구조체 등 기능성 고분자에 대한 다양한 연구 방향을 기술한다. [3,3]-시그마 결합 자리옮김 반응은 매우 유용한 반응임에도 불구하고, 결합의 형성과 끊어짐이 동시에 일어나는 특성 때문에 중합법으로써 활용되지 못했다. 이러한 맥락에서, 제2장에서는 매우 간단하고 효율적인 이민 형성을 거쳐 탄소–탄소 결합을 결함없이 입체선택적으로 형성함으로써 고분자를 합성하는 다이아자-코프 자리옮김 중합법 (DCRP) 개발에 대해 서술한다. 생성된 고분자는 입체적으로 순수한 살렌 구조를 포함하기 때문에 아연 양이온을 선택적 검출할 수 있는 고성능 발광 화학종 검출기로써의 응용까지도 가능하다. 하나의 합성 조건으로부터 혹은 더 나아가 단일 반응물로부터 다색발광 형광체를 자유자재로 만들 수 있는 효율적인 합성법을 개발하는 것은 합성적 측면에서 매우 요구되는 바이다. 이러한 측면에서, 제3장에서는 직접적인 탄소–수소 결합의 아마이드화 (DCA) 반응이 들뜬 상태 분자내 양성자 이동 (ESIPT)을 통한 발광 메커니즘을 통해 백색을 포함하여 다색발광 물질을 효율적으로 합성할 수 있는 합성법임을 입증한다. DCA 반응은 작용기의 위치와 전자적 특성에 관계없이 훌륭한 합성효율을 보이기 때문에 원하는 형광을 자유자재로 얻는 것을 가능하게 해준다. 백색발광 고분자를 얻기 위한 지금까지의 여러 연구들은 가시광 영역 전체를 효과적으로 포함하기 위한 전략으로써 다중발광체 기반의 랜덤 공중합체 합성에 집중해왔다. 그러나 이러한 전략은 저조한 색 재현성의 한계점을 지닌다. 3장에서 입증한 DCA의 합성적 장점을 적극 활용함으로써, 제4장에서는 훌륭한 색 재현성을 지닌 단일형광체 기반의 백색발광 동종 중합체를 합성할 수 있는 직접적인 탄소–수소 결합의 아마이드화 중합법 (DCAP) 전략에 대해 보고한다. 이 고분자는 추가적인 매트릭스의 도움 없이도 고체상에서 백색발광을 내놓기 때문에 코팅된 백색발광 다이오드를 용액 공정을 통해 손쉽게 제작하는 것이 가능하다. 전도성 고분자 기반의 나노구조체의 크기와 형태를 정교하게 조절하는 것은 광전자적 성능에 매우 중요한 부분이지만, 전도성 고분자의 낮은 용해도는 불규칙적인 응집을 유도하여 이들의 정교한 조절은 상대적으로 제한적이다. 마지막 제5장에서는 길이조절이 가능한 일차원 전도성 나노구조체를 스즈키–미야우라 촉매–이동 중합 (SCTP) 과정동안 바로 만듦으로써 나노구조체 준비과정의 효율을 높여주는 전략인 전도성 고분자의 결정화유도를 통한 반응내 나노구조체화 (CD-INCP)를 보고한다.

Evaluation of microstructural characteristics and material properties using virtual heterogeneous materials reconstructed by stochastic optimization

김세윤 Graduate School, Yonsei University 2021 국내박사

The properties of heterogeneous materials are affected by their microstructural features. Materials with complex microstructures, such as concrete, copolymers, and alloys, can be enhanced by changing the microstructure. Therefore, an understanding of microstructures is essential to evaluate the properties of heterogeneous materials. In this dissertation, a method is proposed for virtual microstructure reconstruction to obtain an in-depth understanding of materials. Microstructures, which are difficult to observe, was reconstructed, and the reconstructed samples were evaluated through simulation. In this dissertation, computed tomography (CT) was used to observe the 3D microstructures of cement pastes; the 2D images of the interfacial transition zone (ITZ) and two-phase copolymer captured by SEM and TEM, respectively, were used. The microstructural feature is quantified by probability functions. To reconstruct a virtual microstructure, microstructural features should be represented by quantified characteristics. Here, the microstructural characteristics were quantified using a low-order probability function and cooccurrence correlation functions (CCFs). The probability functions obtained from the cement paste are combined based on the porosity gradient to construct the microstructural characteristics of the ITZ. To construct the microstructural characteristics of a functionally graded material (FGM) such as ITZ, the combining method was developed in this dissertation. The microstructural characteristics of the copolymer are represented by a two-point correlation function and CCFs. Virtual microstructures are reconstructed using a stochastic optimization. Virtual ITZ samples cannot be reconstructed using conventional stochastic optimization, because the ITZ is a FGM. Therefore, an extended stochastic optimization was proposed for reconstructing FGM. The virtual 3D copolymers were reconstructed using the CCFs obtained from the 2D microstructures with a high degree of phase clustering. The reconstructed virtual microstructure was used as an numerical model for finite element analysis. The stiffness, thermal conductivity, and permeability simulations were performed to investigate the microstructure effect on the properties. In addition, simulations with the virtual 3D copolymers were used to investigate the correlation between the stiffness at the two scales. The stiffness at the sub-micron and macroscale was measured using an atomic force microscope (AFM) and a universal testing machine (UTM). The stiffness at the sub-micron scale was used as the input parameter, and the phase stiffness satisfying the stiffness at the macroscale was determined by the simulations. This dissertation proposed a framework for the evaluation of specific microstructures, which is difficult to capture. The framework can be used to develop and optimize heterogeneous materials, and it can be utilized to evaluate the structural performance from a multiscale perspective. Through the linkage between material-member-structure, the results from the material analysis can be applied to improve the structural performance in further studies. 불균질 재료의 물성은 미세구조의 형상에 의한 영향을 받는다. 특히, 복잡한 미세구조 형상을 지닌 콘크리트, 폴리머 복합체, 합금 등과 같은 재료는 미세구조의 형상 변화에 따라 물성이 큰 폭으로 변화된다. 그러므로, 불균질 재료의 정확한 물성 분석을 위해서는 미세구조에 대한 이해가 필수적이다. 본 연구에서는 미세구조에 대한 심도있는 이해를 위해 불균질 재료의 가상 미세구조를 재구성하는 방법을 제안한다. 재구성 방법을 통해서, 실제로 관찰하기 어려운 미세구조를 가상 미세구조를 통해 재구성하고 해석을 사용하여 평가하였다. 본 연구에서는 micro-CT를 사용하여 시멘트 풀의 미세구조를 3차원으로 관찰하였으며, ITZ의 공극 분포 기울기와 폴리머 중합체의 미세구조를 각각 SEM과 TEM으로 촬영된 2차원 이미지로부터 확인하였다. 가상 미세구조를 재구성하기 위해 촬영된 미세구조의 형상을 저차원 확률 함수와 두점 상관 함수를 기반으로 한 cooccurrence correlation function을 사용하여 미세구조의 특성을 수치화했다. 확률함수로 나타낸 시멘트 풀의 미세구조의 특성을 ITZ의 공극비 기울기와 조합하여 가상 ITZ의 미세구조 특성을 제작하였으며, 두점 상관 함수와 CCFs로 폴리머 복합체의 미세구조 특성을 나타내어 비교를 통해 CCFs가 2차원 미세구조의 특성을 대표성있게 나타내기 적합함을 확인하였다. 본 연구에서는 미세구조 특성을 기반으로 확률적 최적화 기법을 사용하여 가상 미세구조를 재구성한다. 시멘트 풀 시편과 공극비 기울기를 기반으로 만든 ITZ의 미세구조 특성을 사용하여 가상 ITZ 시편을 재구성하였다. ITZ는 공극비 기울기를 지닌 경사기능재료이므로 일반적인 확률적 최적화로 가상 시편을 재구성할 수 없기 때문에 경사기능재료를 재구성하기 위한 확장된 확률적 최적화 기법을 제안했다. 폴리머 중합체의 가상 3차원 미세구조는 CCFs를 사용하여 2차원 미세구조로 부터 얻어낸 특성으로부터 3차원으로 재구성되었다. 재구성 된 가상 시편의 미세구조 특성이 확률적 최적화 과정에서 목적한 특성과 일치하는 것을 확인하였으며, 이를 통해 본 연구에서 제안된 경사기능재료의 재구성과 군집도 높은 2차원 미세구조를 기반으로 하는 3차원 가상 시편 재구성이 유효함을 확인하였다. 가상 시편은 유한요소해석의 해석 모델로 활용되었다. 미세구조 형상이 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해 강성, 열전도도, 투기율의 분석을 수행하였다. 등방성 시멘트 풀 미세구조와 공극비 기울기를 지닌 비등방성 미세구조의 해석 결과를 통해 미세구조가 물성에 미치는 영향을 확인하고, 축 방향에 따른 물성을 비교하여 투기율이 강성과 열전도도보다 미세구조에 의한 영향이 크게 나타남을 확인하였다. 추가적으로, 폴리머 중합체의 서브 마이크로 스케일과 매크로 스케일 강성이 AFM과 UTM을 사용한 실험으로 조사되었다. 서브 마이크로 스케일 물성과 매크로 스케일 물성간 관계를 확인하기 위해 재구성 된 3차원 미세구조를 사용하여 해석이 수행되었으며, 매크로 스케일 실험 결과를 만족시키는 폴리머 상의 강성을 확인하였다. 본 연구는 실제 미세구조의 형상을 확인하기 어려운 불균질 재료의 분석 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 기법은 불균질 재료의 최적화에 활용될 수 있으며, 추후 연구를 통해 다중 스케일 관점에서 구조물의 성능 평가에 사용될 수 있다. 재료-부재-구조물 스케일 간 연계를 통해 재료 분석에 관한 연구 결과를 구조물의 성능 향상에 활용하고자 한다.

Development of Bio-functional Materials and Their Biotechnological Applications : 생기능성 소재의 개발 및 생명공학적 응용

남정찬 건국대학교 대학원 2015 국내석사

Recently, various materials are applied in many biological and biomedical applications such as drug delivery systems (DDS), imaging and therapeutics. In most cases, fabrication of bio-functional materials is significant because activities and compatibilities of materials depend on their functionalities. In this respects, we introduce two parts of study which utilized bio-functional materials for various biotechnological applications In Part 1, we report the strategy to detect and quantify the prostate specific antigen (PSA) using biochips and laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (LDI-TOF MS). PSA 33 kDa serine protease, is known as a biomarker of prostate cancer that is developed in the prostate, a gland in the male reproduction system. However, it has been reported that PSA could be used as a biomarker of breast cancer that occurs in female although the level of PSA in female is much lower than that in male. Since methods for the detection and quantification of the PSA in serum are rare, the bioanalytical method with ultra-sensitivity is demanded for the detection and quantification of PSA as a diagnostic and prognostic indicator of breast cancer. In our strategy, PSA was captured by two antibodies on gold nanoparticles (AuNPs) and on a biochip, through a sandwich assay format. The presence of PSA in fetal bovine serum (FBS) was then verified by LDI-TOF MS signals of small molecules, called Am-tag, which existed in large excess on AuNPs playing a role for amplifying the biological events. Also, relative amounts of PSA in serum were quantified by using dAm-tag-coated AuNPs (IS). Furthermore, the quantification method was verified in PSA spiked female serum. In the last part, we describe the strategy to on-demand drug release from hydrogel with enhanced physical property. For enhanced physical property, quercetin-conjugated alginate was developed. Using this stronger physical property, the alginate hydrogels has on-demand drug release property by affinity differences between iron ion and alginate. I believe that my strategy of generating biofunctional materials can be further expanded to the study of research and practical applications. 최근 다양한 소재들이 약물전달시스템, 치료 및 이미징과 같은 바이오, 바이오 의학 분야에 이용되고 있다. 대부분의 경우, 소재의 활성과 적합성은 그들 기능성에 기인하므로, 생기능성 소재의 제작이 매우 중요하다. 이와 같은 관점에서, 석사과정의 연구로 생기능성 소재를 이용하여 생명공학적으로 응용한 두 가지 연구를 소개하겠다. 첫 번째 연구주제는 레이저 탈착 비행 시간형 질량분석기와 바이오칩을 이용한 PSA 단백질의 검출 및 정량에 관한 연구이다. 33 kDa의 세린단백질가수분해효소인 PSA는 전립선암의 바이오 마커로 알려져 있다. 전립선 암은 남성의 생식 시스템의 분비샘인 전립선에서 발병한다. 그러나 PSA는 그 수치는 남성에 비해 낮으나 여성에서 유방암의 바이오마커로 쓰일 수 있다는 보고가 제시되고 있다. PSA를 여성의 혈청에서 검출하고 정량하는 방법이 드물기 때문에, 유방암에서 PSA를 검출하고 정량하기 위한 초민감성을 가진 생분석적 방법을 개발이 요구되고 있다. 우리는 나노입자와 바이오칩에 PSA를 잡을 수 있는 항체를 고정하여 샌드위치어세이 형식으로 칩 위에 단백질을 검출하고, 혈청에서 PSA의 검출 유무는 나노 입자 표면에 존재하는 유기분자의 질량 분석 신호 세기로 확인할 수 있다. 유기분자는 금 나노 입자 표면에 과량으로 존재하기 때문에 이들로 인한 신호증폭효과를 볼 수 있게 된다. 그리고, 중수소로 치환된 유기분자가 고정된 나노입자를 이용하여 검출된 PSA의 상대적인 양을 정량 할 수 있다. 또한 이 방법을 이용하여 여성의 혈청에서도 PSA를 정량 할 수 있다. 두 번째 연구 주제는 하이드로겔의 물리적 성질을 증대시켜 자극형 약물 전달을 전략에 대한 연구이다. 물리적 성질을 증가시키기 위하여, 퀘세틴을 결합한 알긴산을 제작하였고, 증대된 물리적 성질을 이용하여 철 이온과 알긴산의 특이 결합 성질을 이용하여 자극형 약물 전달 시스템을 개발하였다. 위의 소개된 생기능성 소재를 제작하는 방법들은 확장된 연구로써 유용한 응용연구에 적용 될 수 있을 것이라 기대된다.

(A) novel fabrication strategies and physicochemical properties of DNA film, fibers, and carbon matrix for diverse applications

Mariyappan, Karthikeyan Sungkyunkwan University 2023 국내박사

본 논문은 나노물질을 이용한 DNA 나노구조의 새로운 구성과 잠재적 응용에 초점을 맞추고 있으며, 설계, 제작 및 특성화 전략에 중점을 두고 있다. 본 연구는 복잡한 구조를 만들기 위한 빌딩 블록으로서의 DNA 활용을 탐구하고, 다차원 벌집 모양의 합성 DNA 나노구조, DNA 박막, DNA 스캐폴드, DNA 임베디드 섬유, DNA 폼 등 다양한 형태의 DNA 나노구조를 재료 기능화하여 조사한다 DNA 임베디드 재료의 물리적, 화학적 및 전기화학적 특성을 이해하고 제어하는 것은 그들의 특정 응용에 매우 중요하다. 이를 위해 본 논문에서는 원자력현미경(AFM), 주사전자현미경(SEM), 푸리에변환적외선분광학(FTIR), 라만분광학(XPS), 광발광(PL) 등 다양한 특성화 기법을 논의한다, UV-가시 흡수 분광법(UV-Vis Abs)과 X선 회절(XRD)은 이러한 물질의 구조적, 화학적 특성을 분석합니다. 또한, 본 논문은 다양한 분야에서 DNA 나노 구조 기반 물질의 광범위한 응용을 탐구하며, 특히 금속 이온의 감지 응용 분야에서 잠재력에 초점을 맞추고 있다. 이 연구는 이 중요한 감지 응용을 위한 DNA 기반 물질의 민감도와 선택성을 높이기 위해 특정 DNA 또는 기능적 나노 물질의 통합을 철저히 조사한다. 이러한 향상된 기능을 활용함으로써 DNA 내장 재료는 매우 효과적이고 정밀한 금속 이온 검출에 대한 가능성을 보유하고 있으며, 이에 따라 감지 기술의 상당한 발전을 제공한다. 이 연구는 또한 에너지 저장 장치에서 DNA의 사용을 조사하며 슈퍼캐패시터에 대한 통합에 초점을 맞추고 있다. 서로 다른 나노 물질을 DNA 구조에 통합함으로써, DNA 기반 슈퍼커패시터의 주기적 안정성과 정전용량으로 물질의 전기적 특성과 에너지 저장 능력이 향상된다. 또한, 유기 발광 분자, 금 나노로드 및 열 변색 염료의 통합에 특히 중점을 두고, 광학 장치에서 DNA 기반 물질의 적용이 탐구된다. 이러한 첨가제는 재료의 광발광, 라만 스펙트럼, 광학적 특성을 제어하는 데 사용되며 조명, 디스플레이 기술 및 광학적 감지에 잠재력을 나타낸다. 전반적으로, 이 연구는 다양한 응용 분야에서 DNA 기반 재료의 잠재력을 강조하고 맞춤형 재료를 설계하기 위한 특성을 이해하는 것의 중요성을 강조한다. 그것은 DNA 기반 물질의 제작, 특성화 및 적용에 대한 통찰력을 제공함으로써 DNA 나노 기술 분야에 기여한다. 본 논문에서 제시된 연구 결과는 DNA 기반 물질의 추가적인 발전과 다양한 기술적 응용으로의 통합을 위한 길을 열었다. This thesis focuses on the novel construction and potential applications of DNA nano structures with nanomaterial, with a specific emphasis on their design, fabrication, and characterization strategies. This work explores the utilization of DNA as building blocks for creating complex structures and investigates various types of DNA nano structures with materials functionalization, including multidimensional honeycomb-like synthetic DNA nanostructures, DNA thin films, DNA scaffolds, DNA-embedded fibers, and DNA foams. Understanding and controlling the physical, chemical, and electrochemical characteristics of DNA embedded materials are crucial for their specific applications. To this end, the thesis discusses various characterization techniques such as atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), photoluminescence (PL), UV-visible absorption spectroscopy (UV-Vis Abs) and X-ray diffraction (XRD) to analyze the structural and chemical properties of these materials. Additionally, the thesis delves into the wide-ranging applications of DNA nano structure-based materials in various fields, with a specific focus on their potential in sensing applications, particularly in the detection of metal ions. The study thoroughly investigates the incorporation of specific DNA or functional nanomaterials to augment the sensitivity and selectivity of DNA-based materials for this crucial sensing application. By leveraging these enhancements, DNA embedded materials hold promise for highly effective and precise metal ion detection, thereby offering significant advancements in sensing technology. The study also investigates the use of DNA in energy storage devices, focusing on their integration into supercapacitors. By incorporating different nanomaterials into DNA structures, the electrical properties and energy storage capabilities of the materials are enhanced with the cyclic stability and capacitance of DNA-based supercapacitors. Moreover, the application of DNA-based materials in optical devices is explored, with a particular focus on their incorporation of organic light-emitting molecules, gold nanorods, and thermochromic dyes. These additives are utilized to control the photoluminescence, Raman spectra, and optical properties of the materials, showing potential in lighting, display technologies, and optical sensing. Overall, this work underscores the potential of DNA-based materials across various applications and emphasizes the importance of understanding their properties to design tailored materials. It contributes to the field of DNA nanotechnology by providing insights into the fabrication, characterization, and application of DNA-based materials. The findings presented in this thesis pave the way for further advancements in DNA-based materials and their integration into diverse technological applications.

First-principles studies on electronic structures and spin and valley properties in two-dimensional materials

조요셉 Graduate School, Yonsei University 2024 국내박사

Recently, much interest has been drawn to various properties in two-dimensional (2D) materials. Using first-principles approaches based on the density functional theory, researchers have gained insights into the atomic and electronic structure of 2D materials. In present Dissertation, I study electronic structures and spin and valley properties in two-dimensional materials based on first-principles density functional theory calculations. After presenting an overview of density functional theory Chapter 1, I report spin properties of hole-doped PdSe2, and spin and valley properties in twisted bilayer graphene as a function of doping. In Chapter 2, we perform density functional theory calculations to study electronic and magnetic properties of hole-doped PdSe2 monolayers. We use the virtual crystal approximation and the supercell calculations to study magnetic properties of hole-doped PdSe2 monolayers. We consider different atomic species of dopants and different spatial distributions of dopant atoms and analyze their effects on induced magnetic properties in PdSe2 monolayers. We discuss Stoner-type ferromagnetism and localized magnetic moments to understand magnetic properties in hole-doped PdSe2 monolayers. In Chapter 3, we perform density functional theory calculations of undoped unpolarized magic-angle twisted bilayer graphene (MA-TBG) and obtain doped unpolarized electronic structures by estimating the Hartree interaction of doped electrons or holes. Then we estimate the exchange-correlation potential of electrons in the flat bands and search for spin and valley properties as a function of doping. We consider limiting cases and intermediate ones for the valley dependence of the exchange-correlation potential and discuss spin and valley properties in MA-TBG. In Chapter 4, I summarize my research on the electronic structures and spin and valley properties in two-dimensional materials and conclude this Dissertation.