Repository Collection: nullhttps://scholar.dgist.ac.kr/handle/20.500.11750/302026-09-13T09:53:59Z2026-09-13T09:53:59ZRapid and Convenient Detection Strategies of Extracellular Vesicles for Clinical ApplicationsSubhra Sulipta Jenahttps://scholar.dgist.ac.kr/handle/20.500.11750/607582026-09-01T10:30:48Z2025-12-31T15:00:00ZTitle: Rapid and Convenient Detection Strategies of Extracellular Vesicles for Clinical Applications
Author(s): Subhra Sulipta Jena
Description: Extracellular vesicles, microRNA, Molecular beacons, Clinical diagnostics2025-12-31T15:00:00ZEngineering Polymer Nanomesh Electronics with Enhanced Thermal, Chemical, and Environmental RobustnessHyeokjoo Choihttps://scholar.dgist.ac.kr/handle/20.500.11750/607572026-09-01T10:30:46Z2025-12-31T15:00:00ZTitle: Engineering Polymer Nanomesh Electronics with Enhanced Thermal, Chemical, and Environmental Robustness
Author(s): Hyeokjoo Choi
Abstract: 고분자 나노메쉬 전자소자는 통기성, 기계적 유연성, 초박막 구조, 그리고 비평면 생체 표면과의 우수한 밀착 특성으로 인해 차세대 웨어러블 및 생체통합 전자소자 플랫폼으로 주목받고 있다. 다공성 섬유 네트워크 구조는 기체, 수분, 체액의 이동을 가능하게 하며, 피부 및 조직과의 기계적 불일치를 최소화할 수 있다. 이러한 특성은 장시간 착용 가능한 전자피부, 삽입형 전기치료 소자, 생체신호 모니터링, 환경 감지 시스템 등에 적합하다. 그러나 기존 고분자 나노메쉬 전자소자는 동적인 생체 계면에서의 장기적 결합 안정성, 고해상도 미세공정과의 낮은 호환성, 제한적인 열적·화학적 안정성, 그리고 고기능성 소재 통합의 어려움이라는 한계를 가진다. 이러한 제약은 고분자 나노메쉬가 단순한 통기성 기판을 넘어 고기능성 전자 플랫폼으로 확장되는 것을 제한해 왔다.
본 학위논문에서는 고분자 나노메쉬 전자소자의 생체 계면, 미세공정, 기능성 소재 통합 한계를 극복하기 위한 공학적 전략을 제시한다. 첫째, 삽입형 전기치료 자극을 위한 조직 적응형 폴리이미드 나노메쉬 생체전극을 개발하였다. 기존 필름 기반 계면과 비교하여 PI 나노메쉬는 향상된 조직 밀착성, 계면 접착력, 감소된 섬유화 반응, 그리고 장기 삽입 환경에서 보다 안정적인 전기적 결합을 제공하였다. 또한 토끼 두개골 결손 모델에 적용하였을 때, 나노메쉬 기반 전기치료 소자는 필름 기반 자극 시스템보다 효과적으로 골 재생을 촉진하였으며, 이는 만성 치료용 전자소자에서 기계적으로 적응 가능한 생체 계면의 중요성을 보여준다. 둘째, titanium nitride 희생층을 이용한 간접 전사 프린팅 전략을 통해 열가소성 나노메쉬 기판 위에 고해상도 Au 전극을 통합하였다. 취약한 나노메쉬 표면에서 직접 포토리소그래피 공정을 수행하는 대신, 고해상도 미세전극을 단단한 기판에서 먼저 형성한 뒤 나노메쉬로 전사함으로써 다공성 구조의 손상 없이 선명한 전극 패턴을 구현하였다. 이를 통해 향상된 패턴 해상도와 전기적 성능을 갖는 통기성 나노전극을 제작할 수 있었다. 셋째, parylene이 코팅된 PI 나노메쉬와 SiO2 핵생성층을 결합하여 열적으로 보강된 graphene nanowall 나노메쉬를 개발하였다. 이를 통해 3차원 고분자 섬유 스캐폴드 위에 수직 배향된 graphene nanowall을 plasma-enhanced chemical vapor deposition 공정으로 직접 성장시킬 수 있었다. 이러한 계층적 3D-on-3D 구조는 분자 접근성, edge-rich adsorption site, 그리고 제한된 분자 수송 경로를 향상시켜 NO2 감지 성능을 개선하였으며, 스마트 마스크 플랫폼을 이용한 실시간 웨어러블 유해가스 모니터링을 통해 실제 적용 가능성을 입증하였다.
종합적으로, 본 연구는 고분자 나노메쉬 전자소자의 근본적인 제약이 소재, 구조, 공정 수준의 플랫폼 엔지니어링을 통해 극복될 수 있음을 보여준다. 조직 적응형 PI 나노메쉬 생체전극은 기계적 부드러움과 다공성을 활용하여 안정적인 장기 생체 계면을 구현하였고, 전사 프린팅 기술은 다공성 고분자 기판의 패터닝 한계를 극복하였으며, GNW 나노메쉬는 고분자 나노메쉬의 소재 호환성을 고성능 탄소 나노구조체로 확장하였다. 이러한 접근법들은 고분자 나노메쉬를 단순한 기계적 지지체에서 만성 생체통합, 고해상도 패터닝, 웨어러블 환경 감지가 가능한 다기능 전자 플랫폼으로 전환시킨다. 본 학위논문은 생체 계면 안정성, 미세공정 호환성, 소재 및 공정 강건성이 확장된 차세대 나노메쉬 전자소자의 설계 방향을 제시하며, 삽입형 전기치료 소자, 웨어러블 헬스케어, 인간–기계 인터페이스, 실시간 환경 모니터링을 위한 통기성·밀착형·다기능 전자소자 플랫폼으로의 발전 가능성을 제시한다.|Polymer nanomesh electronics have emerged as promising platforms for next-generation wearable and biointegrated devices because of their breathability, mechanical softness, ultrathin form factor, and conformal contact with nonplanar biological surfaces. Their porous fibrous networks allow gas, moisture, and fluid transport while minimizing mechanical mismatch with skin and tissues, making them attractive for long-term electronic skin, implantable electroceuticals, biosignal monitoring, and environmental sensing. However, despite these advantages, conventional polymer nanomesh electronics are still limited by unstable long-term coupling at dynamic biointerfaces, poor compatibility with high-resolution microfabrication, restricted thermal and chemical stability, and insufficient material-integration capability. These limitations have hindered the expansion of polymer nanomeshes from passive breathable substrates to advanced functional electronic platforms. This thesis presents engineering strategies to overcome the biointerface, fabrication, and material- integration constraints of polymer nanomesh electronics. First, a tissue-adaptive polyimide nanomesh bioelectrode was developed for implantable electroceutical stimulation. Compared with conventional film- based interfaces, the PI nanomesh provided enhanced tissue conformability, improved interfacial adhesion, reduced fibrotic response, and more stable electrical coupling during long-term implantation. When applied to a rabbit calvarial defect model, the nanomesh-based electroceutical device promoted bone regeneration more effectively than film-based stimulation systems, demonstrating the importance of mechanically adaptive biointerfaces for chronic therapeutic electronics. Second, an indirect transfer-printing strategy using a titanium nitride sacrificial layer was developed to integrate high-resolution Au electrodes onto thermoplastic nanomesh substrates. By separating photolithographic microfabrication from the fragile nanomesh surface, fine electrode patterns could be realized without damaging the porous structure, enabling breathable nanoelectrodes with improved pattern resolution and electrical performance. Third, a thermally reinforced graphene nanowall nanomesh was developed by combining parylene-coated PI nanomeshes with a SiO2 nucleation layer, enabling direct plasma-enhanced chemical vapor deposition of vertically oriented graphene nanowalls (GNWs) on a three-dimensional polymer fibrous scaffold. This hierarchical 3D-on-3D architecture enhanced NO2 sensing performance through improved molecular accessibility, edge-rich adsorption, and confined transport pathways, and its practical applicability was demonstrated using a smart mask platform for real-time wearable toxic gas monitoring. Together, these studies demonstrate that the fundamental constraints of polymer nanomesh electronics can be addressed through platform-level material, structural, and process engineering. The tissue-adaptive PI nanomesh bioelectrode exploits mechanical softness and porosity to achieve stable long-term biointerfaces, transfer printing overcomes the patterning limitation of porous polymer substrates, and GNW nanomeshes expand the material compatibility of polymer nanomeshes toward advanced carbon nanoarchitectures. These approaches collectively transform polymer nanomeshes from mechanically compliant supports into multifunctional electronic platforms capable of chronic biointegration, high-resolution patterning, and wearable environmental sensing. This thesis provides a design framework for advanced nanomesh electronics with expanded biointerface stability, fabrication compatibility, and material/process robustness, offering a pathway toward breathable, conformal, and multifunctional devices for implantable electroceuticals, wearable healthcare, human–machine interfaces, and real-time environmental monitoring. Keywords: breathable electronics, polymer nanomesh electronics, robust polymer nanomesh, tissue-adaptive bioelectrode, high-resolution nanomesh electronics, graphene nanowall nanomesh
Description: breathable electronic devices, polymer nanomesh electronic devices, rigid polymer nanomesh, tissue-adaptive bioelectrodes, high-resolution nanomesh electronic devices, graphene nanowall nanomesh2025-12-31T15:00:00ZFluxgate-Type Operation of Exchange-Biased Planar Hall Multiring Sensors toward Sub-nT Magnetic Field ResolutionRuzmetov Khujabek Nodirbek uglihttps://scholar.dgist.ac.kr/handle/20.500.11750/607562026-09-01T21:00:34Z2025-12-31T15:00:00ZTitle: Fluxgate-Type Operation of Exchange-Biased Planar Hall Multiring Sensors toward Sub-nT Magnetic Field Resolution
Author(s): Ruzmetov Khujabek Nodirbek ugli
Abstract: This dissertation develops a fluxgate-type second-harmonic readout method for exchange-biased planar Hall magnetoresistive sensors. The sensing stack is Ta（5 nm）/NiFe（10 nm）/Cu（x）/IrMn（10 nm）/Ta（5 nm）, where x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, and 1.00 nm. The Cu spacer thickness is used as a structural control parameter to tune the NiFe/IrMn interfacial exchange coupling, and therefore the exchange-bias field, coercivity, and effective rotation field. A sinusoidal modulation field is applied to the PHMR sensor, and the second-harmonic voltage is detected using a lock-in amplifier. This readout mode shifts the measurement away from the dc baseline, suppresses slow offset drift, and makes the output dependent on the nonlinear curvature of the PHMR transfer curve. The optimized Cu = 1.0 nm device shows the strongest direct PHMR response and fluxgate-type 2f response because reduced exchange pinning allows easier magnetization rotation under weak transverse magnetic fields. A normalized sensitivity framework is introduced to compare direct PHMR and fluxgate-type readout on the same basis. The direct mode is normalized by the electrical bias voltage, while the fluxgate-type mode is normalized by an equivalent excitation voltage that combines the electrical bias and modulation drive. Under an optimized modulation condition of 𝜇0H0= 1.5 mT RMS at 𝑓𝑚𝑜𝑑 = 113.3 Hz, the Cu = 1.0 nm device reaches normalized sensitivities of approximately 1.37 T⁻¹ in direct PHMR mode and 2.60 T⁻¹ in fluxgate-type 2f mode. A modulation-matching factor, η is also introduced to explain why the optimum occurs when the modulation amplitude is close to the intrinsic curvature scale of the sensor. Noise, detectivity, temperature, and step-field measurements verify the practical benefit of the fluxgate- type readout. Compared with direct PHMR readout, the fluxgate-type mode lowers the output noise spectral density and improves the field-equivalent detectivity to approximately 100 pT/√Hz at 1 Hz under the optimized condition. Temperature measurements between 300 and 400 K show that harmonic detection suppresses the dc- offset drift that affects direct readout, while the offset-corrected field response of both modes remains closely related to the magnetic behavior of the sensing stack. Reference-field step measurements confirm distinguishable response to nanotesla-scale magnetic-field changes. These results establish exchange-biased PHMR multiring sensors as a compact, planar, core-free platform for fluxgate-type weak-field sensing, with future potential for integrated on-chip modulation coils and harsh-environment magnetic sensing applications.
Keywords: Planar Hall magnetoresistance, fluxgate-type readout, exchange bias, Cu spacer, second-harmonic detection|본 논문은 교환 바이어스가 부여된 평면 홀 자기저항（planar Hall magnetoresistive, PHMR） 센서를 위한 플럭스게이트형 2차 고조파 판독 방법을 개발하였다. 센서 적층 구조는 Ta（5 nm）/NiFe（10 nm）/Cu（x）/IrMn（10 nm）/Ta（5 nm）이며, Cu 스페이서 두께 x는 0, 0.25, 0.50, 0.75 및 1.00 nm로 조절하였다. Cu 스페이서 두께는 NiFe/IrMn 계면 교환 결합을 조절하는 구조적 제어 변수로 사용되었으며, 이를 통해 교환 바이어스장, 보자력 및 유효 회전장을 변화시켰다. PHMR 센서에 정현파 변조 자기장을 인가하고, 락인 증폭기를 이용하여 2차 고조파 전압을 검출하였다. 이 판독 방식은 측정 신호를 직류 기준선에서 분리하고, 느린 오프셋 드리프트를 억제하며, PHMR 전달 곡선의 비선형 곡률에 기반한 출력을 이용한다.
최적화된 Cu = 1.0 nm 소자는 교환 고정 효과가 약해져 약한 횡방향 자기장에 대해 자화가 더 쉽게 회전하므로, 직접 PHMR 응답과 플럭스게이트형 2f 응답에서 가장 강한 출력을 보였다. 직접 PHMR 판독과 플럭스게이트형 판독을 동일한 기준에서 비교하기 위해 정규화 감도 분석 방법을 도입하였다. 직접 모드는 전기적 바이어스 전압으로 정규화하였고, 플럭스게이트형 2f 모드는 전기적 바이어스와 변조 구동을 함께 고려한 등가 여기 전압으로 정규화하였다. 최적 변조 조건인 μ0H0 = 1.5 mT RMS 및 fmod = 113.3 Hz에서 Cu = 1.0 nm 소자는 직접 PHMR 모드에서 약 1.37 T⁻¹, 플럭스게이트형 2f 모드에서 약 2.60 T⁻¹의 정규화 감도를 나타냈다. 또한 변조 자기장 세기가 센서의 고유 곡률 스케일과 잘 맞을 때 최적 응답이 나타남을 설명하기 위해 변조 정합 인자 η를 도입하였다.
잡음, 검출능, 온도 안정성 및 기준 자기장 계단 응답 측정을 통해 플럭스게이트형 판독 방식의 실용적 장점을 확인하였다. 직접 PHMR 판독과 비교했을 때, 플럭스게이트형 2f 판독은 출력 잡음 스펙트럼 밀도를 낮추고, 최적 조건에서 1 Hz 기준 약 100 pT/√Hz의 자기장 등가 검출능을 달성하였다. 300–400 K 범위의 온도 측정에서는 2f 고조파 검출이 직접 판독에서 나타나는 직류 오프셋 드리프트를 억제함을 확인하였다. 또한 오프셋 보정 후 두 판독 모드의 자기장 응답은 센서 적층 구조의 자기적 거동과 밀접하게 관련되어 있음을 보였다. 기준 자기장 계단 응답 측정에서는 나노테슬라 수준의 자기장 변화를 구별할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 교환 바이어스 PHMR 다중 링 센서가 소형, 평면형, 코어 없는 플럭스게이트형 약자기장 센서 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여주며, 향후 온칩 변조 코일 집적 및 극한 환경 자기장 센싱 응용으로 확장될 가능성을 제시한다.
Description: Planar Hall magnetoresistance, fluxgate-type readout, exchange bias, Cu spacer, second-harmonic detection2025-12-31T15:00:00ZEngineering Structural Asymmetry for Magnetization Control in Magnetic Thin FilmsTae-Hwan Kimhttps://scholar.dgist.ac.kr/handle/20.500.11750/607552026-09-01T10:30:41Z2025-12-31T15:00:00ZTitle: Engineering Structural Asymmetry for Magnetization Control in Magnetic Thin Films
Author(s): Tae-Hwan Kim
Abstract: This thesis proposes a novel paradigm in spintronics by investigating the precise engineering of structural and chemical asymmetry within magnetic thin films to enhance functional efficiency and simplify device architectures. Moving beyond conventional interface-dependent stacking methods, this work focuses on two strategic approaches to manipulate magnetic states and interactions through internal-body engineering. In the first part, we demonstrate functional spintronic operations within a single layer magnetic nanocomposite by utilizing chemical asymmetry. Through a controlled partial oxidation of Pt-Co0.7Ni0.3 alloys, we fabricated disordered nanostructures where ferromagnetic and diluted antiferromagnetic couplings coexist. We discovered that thermally unstable antiferromagnetic spins can be dynamically activated at room temperature via spin currents generated by the spin Hall effect. Crucially, an internal vertical oxygen concentration gradient is found to break structural symmetry, enabling field-free magnetization self-switching in a single- layer film. The second part explores the manipulation of interlayer exchange coupling in heterostructures by controlling crystallographic asymmetry. By utilizing a Ta boron sinker and MgO diffusion barriers, we successfully induced selective crystallization between two CoFeB layers. Verified through ferromagnetic resonance spectroscopy, this structural differentiation allows for the deterministic reversal of the IEC sign from an antiferromagnetic to a ferromagnetic state solely through the annealing process. In conclusion, this research establishes that engineering internal asymmetry—whether through chemical gradients or selective phase transitions—provides a robust pathway for magnetization control. These strategies offer significant advantages for the development of high-density, energy-efficient, and simplified spintronic architectures, such as next-generation SOT-MRAM.|자기 박막 시스템에서 자화 제어를 위한 구조적 비대칭성 설계
본 논문에서는 차세대 스핀트로닉스 소자의 효율적인 자화 제어를 위해, 자성 박막내에 의도적인 구조적 및 화학적 비대칭성을 설계하는 새로운 접근 방식을 제안한다. 박막 내부의 조성을 조절하거나 결정화 상태를 비대칭적으로 유동함으로써 자성 상태를 정밀하게 제어하는 두 가지 연구를 수행하였다.
첫 번째 연구에서는 단일층 자성나노복합체 박막 내의 화학적 비대칭성을 활용한 기능적 스핀 동작을 보고한다. 부분 산화 공정을 통해 강자성과 반강자성 상이 공존하는 Pt-Co0.7Ni0.3-O 단일 박막을 제조하였으며, 스핀 홀 효과로 생성된 스핀 전류가 상온에서 열적으로 불안정한 반강자성 스핀을 활성화 및 정렬시킴을 확인하였다. 특히 박막 내부에 형성된 수직적 산소 농도 구배가 구조적 대칭성을 깨뜨림으로써, 외부 자기장 없이 전류만으로 자화 방향을 반전시키는 field-free self-switching을 단일 박막에서 성공적으로 구현하였다.
두 번째 연구에서는 자성 적층 구조에서 결정 구조적 비대칭성을 이용하여 층간 교환 결합의 극성을 제어하는 기술을 제시한다. 붕소 흡수원(Ta) 과 붕소 확산 방지 층(MgO)를 적절히 배치하여 열처리 과정 중 두 자성층 사이에 선택적 결정화를 유도하였다. 강자성 공명 분석을 통해, 이러한 결정 상태 차이만으로 층간 교환 결합 부호를 반강자성에서 강자성 상태로 반전시킬 수 있음을 입증하였다.
결론적으로 본 연구는 박막 내부의 비대칭성 엔지니어링이 스핀트로닉스 소자의 기능적 효율성을 극대화할 수 있는 강력한 파라미터임을 보여준다. 이러한 전략은 향후 고밀도, 저전력 자성 메모리 및 차세대 자성 소자 개발에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.
Description: Spin Hall effect, Activation of antiferromagnetism, Exchange bias, Field-free switching, Interlayer exchange coupling, Ferromagnetic resonance, CoFeB/MgO/CoFeB2025-12-31T15:00:00Z