Donghwi Cho has been appointed as an assistant professor in the UST-KRICT school.
Our research on 3D nanostructures for thermoelectric application was highlighted in the media.
저렴하고 친환경 소재로 폐열회수를 위한
획기적 열전소재 개발
획기적 열전소재 개발
https://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=497248
Our bioimaging research was selected as the Best Poster Presentation Award from IMC20.
The presentation "CLEM imaging plate based on hydrophilic graphene for digital pathology" was received by The 20th International Microscopy Congress (IMC20).
Congratulation! Gana Park!
Our chemical sensor research was highlighted in the media.
KRICT Instagram 나는박사 편
한국화학관련학회연합회 화학연합 15권 2호 130쪽
Our research was selected as 양송포스터상 우수상 from 한국세라믹학회.
The presentation "Wafer-scale Transferable Copper Monosulfide Membrane for Multifunctional Thermoelectric Systems" was received.
Congratulation! Dr. Geonhee Lee!
반도체 센서로 유독 가스 감지/오염물질도 분해 [대전MBC 뉴스데스크 보도]
국내 연구진이 공기 중 악취 가스를 검출하고, 미세 오염물질을 분해할 수 있는 환경센서를 개발했다. 한국화학연구원은 조동휘·이정오 박사 연구팀, 장지수 한국과학기술연구원 박사 공동 연구팀이 공기 중에 누출될 수 있는 유해가스인 황화수소를 검출하고, 폐수 속 염료 등 오염 물질의 분해에 적용할 수 있는 금속산화물 반도체 가스 센서를 개발했다고 26일 밝혔다.
가스 센서 기술은 다양한 방식이 있다. 이중 반도체식 기술은 금속산화물인 센서 소재가 어떤 가스와 반응할 때 전기 특성이 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 유해가스에 대한 높은 민감도, 빠른 반응속도, 양산성 등이 우수하다. 다만 가스가 활발하게 반응하려면 센서 소재를 수백도까지 히터로 가열해야 한다. 전력을 많이 쓰고, 높은 온도에서 특정 가스만 골라내기 어려웠다.
이에 연구팀은 히터 가열 방식이 아닌 빛을 통해 열을 만드는 ‘광활성화’ 방식을 적용하고, 특정 가스에만 반응하도록 백금, 팔라듐 등 4가지 성분이 포함된 나노 촉매를 센서 표면에 균일하게 합성해 문제를 해결했다.
연구팀은 금속산화물의 일종인 이산화티타늄을 센서 재료로 삼고 전력 효율을 높이기 위해 나노 반도체 기술을 이용해 빛이 최대한 잘 흡수될 수 있는 규칙적인 정렬 형태의 ‘3차원 나노·쉘 구조’를 만들었다. 이 구조에선 기존보다 전력 소모가 100분의 1 정도 수준의 빛을 집중시켜 높은 열이 발생했다.
또 특정 가스만 골라 감지하기 위해 센서 소재 표면에 ‘특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매’를 합성했다. 이후 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트 등 4가지 원소를 첨가하자 유해가스 중 황화수소만 선택적으로 반응했다.
이 밖에 연구팀은 해당 센서가 물속에서 오염 물질을 줄일 수 있다는 결과도 검증했다. 센서 재료로 쓴 이산화티타늄은 광촉매(빛을 받아들여 화학반응을 촉진하는 물질)로 활용하는 대표적인 화합물이다. 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 쓴다.
이산화티타늄은 표면에 나노 촉매가 합성된 상태에서도 효율적인 광촉매 특성을 보였다. 물 속에 극미량으로 존재하는 염료 미세 오염 물질을 소형 센서 소재로 분해했다.
이영국 화학연 원장은 “이번에 개발한 기술은 황화수소 탐지와 수중 오염물질 분해 등 국민의 건강한 삶을 위한 기술”이라며 “추가 연구를 통해 다양한 유해가스, 유해물질에도 적용되는 플랫폼 기술이 될 것으로 기대한다”고 했다.
연구결과는 재료화학 분야 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 이달 표지 논문으로 선정됐다.
https://tjmbc.co.kr/article/2adjENJM0OGGW
https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=02512486635744056&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y
Dr. Geonhee Lee won the Best Paper Award at the 47th-anniversary event of KRICT
The paper "Ultrathin Metal Film on Graphene for Percolation-threshold-limited Thermal Emissivity Control" published in Advanced Materials was received.
Congratulation! Dr. Geonhee Lee!
Our research was selected as a Back Cover in Journal of Materials Chemistry A.
Showcasing research from a group of researchers led by Dr. Ji-Soo Jang from Korea Institute of Science and Technology (KIST), Dr. Donghwi Cho and Dr. Jeong-O Lee from Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Prof. Seokwoo Jeon from Korea University.
This work reports the rational design of ultra-small (< 5 nm) polyelemental nanocatalysts on a 3D TiO2 nanostructure by an ultrafast fl ash lamp-driven photothermal shock, enabling instant reduction of surface decorated, metal ionic precursors into the atomically mixed heterostructure. The exceptional photocatalytic eff ect of the material system demonstrates dual-modal chemical detection and neutralization of environmental pollutants.
Our research was selected as a Front Cover in Volume 33 of Advanced Functional Materials.
In article number 2302256, John A. Rogers, Ralph G. Nuzzo, Yonggang Huang, and co-workers report a miniaturized, wireless mechanoacoustic sensor, encapsulated with a self-healing, dynamic covalent elastomer, embedded with chemistries that provide colorimetric responses, strain-adaptive stiffening, and thermal insulation properties relevant to the safety of wireless, skin-interfaced bioelectronic device use and operation. These multifunctional materials design strategies can immediately apply to wide ranging classes of devices, and also inspire the development of additional, complementary materials strategies for safe operation of bioelectronic systems.
Our research was selected as 양송포스터상 최우수상 from 한국세라믹학회.
The presentation "Light-activated Polyelemental Nanocatalysts for Dual-mode Chemical Detection and Neutralization of Environmental Pollutants" was received.
Congratulation! Dr. Geonhee Lee!
Donghwi Cho was appointed as an advisory committee of the national research project.
Donghwi Cho was named as a young scientist in "Polymer Science and Technology" by the Polymer Society of Korea.
Polymer Science and Technology, 33, 6, 582-583, 2022
Donghwi Cho was listed as an invited speaker in the Special Session of GCIM2023.
3D nanocomposite work was selected as "ENGE 2022 Best Oral Award" from ENGE 2022.
The presentation "Modulus Mismatch in Interconnected Three-Dimensional Nanocomposites for High-Contrast Mechanochromisms" was received.
Photolithographic realization of target nanostructure in 3D space research was highlighted in the media.
한국, 차세대 반도체 핵심 기술 선점했다
삼성전자와 대만 TSMC가 3nm, 2nm 등 초정밀 차세대 반도체 공정 도입을 두고 경쟁하고 있는 가운데, 한국 연구진이 한걸음 훌쩍 앞서갈 수 있는 미래 핵심 기술을 개발해냈다.
카이스트(KAIST)는 전석우ㆍ신종화 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 반도체 공정 핵심기술인 3차원의 나노구조를 단일 노광으로 효율적으로 제작하는 방법을 개발했다고 27일 밝혔다. 노광 공정이란 빛을 이용해 실리콘 웨이퍼에 전자 회로를 새기는 공정을 말한다.
연구팀은 갈수록 복잡해지는 반도체 구조와 배선구조 등을 기존 2차원 평면 노광 방식으로 건물을 한층 한층 제작하듯이 진행하던 방식에 비해 훨씬 더 낮은 비용과 공정으로 제작할 수 있는 근거를 마련했다고 평가했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 25일 온라인 게재됐다.
연구팀은 수반행렬 방법(Adjoint method) 기반 역설계 알고리즘을 활용해, 적은 연산으로 원하는 형태의 나노 홀로그램을 생성하는 위상 마스크의 격자구조를 효율적으로 찾아내는 방법론을 제시했다. 이는 기존의 반도체 리소그래피 공정에 적용됐으며, 연구팀은 광감응성 물질에 단 한 번의 빛을 쏘아 목표하는 나노 홀로그램을 형성하고, 물질화해 원하는 3차원 나노구조를 단 한 번의 노광으로 구현할 수 있음을 실험적으로 증명했다.
최근 리소그래피 및 패터닝 기술의 발달로 소재의 형상을 나노스케일에서 구현하는 기술이 발달함에 따라 기존 소재의 물성을 극복하는 메타 소재 및 3차원 프린팅 연구가 주목받고 있다. 특히 3차원 나노소재를 구현하기 위해 활용되는 기존 공정들은 구현하는 구조의 자유도, 생산성, 정밀도를 모두 만족하기 어려운 점이 있어 이를 개선하기 위한 다양한 시도가 진행 중이다.
다양한 3차원 패터닝 공정 가운데, 근접장 나노패터닝(PnP, Proximity-field nanoPatterning)은 단일 노광으로 주기적인 3차원의 나노구조를 정확하고 생산성 있게 구현할 수 있다. 하지만, 현재까지 주기적인 위상 마스크 패턴을 활용해 구현할 수 있는 구조의 자유도는 제한돼왔으며, 이를 극복하기 위해서는 감광물질에 원하는 형태의 홀로그램을 구현하는 위상 마스크의 디자인을 계산하는 과정이 필요하다.
기존 연구에서는 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)을 통해 이러한 역계산을 수행했으나, 비효율적인 계산방식, 많은 계산량 등의 문제로 활용이 제한된다. 최근 주목받는 머신러닝도 학습을 위한 데이터양이 최소 수천 개 이상으로 많이 요구돼 현실적으로 이를 역계산에 활용하기에는 아직 요원한 상황이다.
연구팀은 수학적 방법론인 수반행렬 방법(Adjoint Method) 기반 알고리즘을 위상 마스크의 패턴이 빛과 상호작용하는 광학현상에 적용해, 원하는 홀로그램 형상을 광감응성 소재에 효율적으로 계산해 그 형상을 얻어내는 데 성공했다. 이 알고리즘은 수식으로 표현된 목표 디자인을 최소한의 계산 경로로 찾아내는 알고리즘이며, 행렬 연산을 활용해 많은 계산량을 효율적으로 처리한다는 장점이 있다. 기존의 단순한 주기적 위상 마스크 패턴은 수직 입사하는 빛으로 특정 배열의 나노구조만을 발생시켰다. 연구팀은 해당 연구에서 위상 마스크에 반도체 공정에 적용 가능한 수직 입사 빔 방식으로 기존의 마스크로 얻어내는 것이 불가능했던 새로운 배열의 3차원 나노구조를 얻어내는 데 성공했다. 이번 연구는 이를 통해 기존의 반도체 노광공정이 갖는 자유도의 한계를 극복하고 더 나아가 보다 복잡한 나노구조를 구현할 수 있다는 것을 이론적, 실험적으로 증명한 주요 연구라 할 수 있다.
이렇게 제작된 3차원의 나노구조는 원자층 증착법을 활용해 구조에 따라 물질의 주입 및 치환으로 다양한 소재를 원하는 구조로 제작할 가능성을 열어준다.
연구팀은 "이번 기술이 차세대 반도체 소자인 GAA(Gate All Around) 소자나 3차원 반도체 집적기술에 적용된다면 현재 국가적으로 많은 노력을 기울이고 있는 차세대 반도체 역량 강화에 크게 이바지할 것으로 기대된다"면서 "더 나아가 소재의 물성이 소재를 구성하는 원자나 결합이 아닌 순수한 나노구조에서 기인하는 새로운 물성을 확보하는 메타 소재 연구에서 원하는 나노구조를 낮은 비용으로 대면적에 생산함으로 국내의 소재 경쟁력을 크게 강화할 원천기술이 될 것"이라고 설명했다.
Donghwi Cho's research was selected as Editor's Pick in Applied Physics Reviews and highlighted in the media.
첨단센서용 고성능 감지소재 기술 및 연구방향 제시
최근 4차산업혁명시대를 맞이하여 사물인터넷(Internet of Things, IoT)이 우리 일상에 적용되기 시작하면서 스마트한 도구들이 끊임없이 개발되고 있는 현실속에서 이는 정확하고 신속하게 각종 데이터를 측정할 수 있는 센서의 개발로부터 시작되며, 결과적으로 센서의 핵심 구성요소인 고성능 감지소재가 필요하게 된다.
연구팀은 근접장 나노패터닝 기술로 제작한 정렬된 3차원 나노구조체를 주형 (template)으로 활용함으로써, 고성능의 감지소재를 개발했으며, 이 구조체는 수백나노미터(nm, 10-9m) 크기의 나노기공이 500∼600나노미터 간격으로 촘촘히 연결된 형태이고 금속, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재를 결합하여 화학적, 기계적 센서에 응용할 수 있는 소재 플랫폼 기술이다.
이번 논문에서 3차원 나노구조체 주형을 기반으로 가스의 확산을 극대화하여, 1초안에 유해물질을 감지하는 ‘초고속 가스센서’, 외부 전력공급이 없이 빛으로만 동작하는 ‘저소비전력 가스센서’, 폭발물을 감지하면 색이 변화는 ‘색변화 센서’ 등 고성능의 화학적 센서 개발에 대해 소개하였으며, 또한 신체 동작 및 자세 모니터링에 활용이 가능한 탄소나노튜브(CNT)가 코팅된 3차원 나노구조화된 실리콘 고무 소재의 인장에 따른 전기저항 변화(electrical resistance change) 현상을 활용한 ‘유연 인장 센서’, 3차원 나노 네트워크 기반의 신축성 나노 복합체에서의 빛의 산란 현상을 이용해 수%의 작은 인장률부터 80%에 달하는 큰 인장률까지 넓은 범위의 인장률을 안정적으로 측정할 수 있는 ‘광학 유연 인장 센서’를 소개했다.
이번 연구결과는 AIP에서 출판하는 응용물리학 분야의 세계적인 학술지인 ‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews, Impact Factor: 19.162)’ 최근 호에 논문을 게재했다. 논문명은 ‘근접장 나노패터닝법을 이용한 3차원 나노구조체 기반의 화학적, 기계적 센서 응용 (Proximity-field nanopatterning for high performance chemical and mechanical sensor applications based on 3D nanostructures)’다.
http://www.busan.com/view/busan/view.php?code=2022040616224444884
Donghwi Cho's research was highlighted in the media.
'1초만에 아세톤 감지' 초고속 가스센서 개발
아세톤은 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 휘발성 유기화합물 중 하나로 저농도에서도 장시간 노출되면 메스꺼움, 현기증, 호흡질환을 유발한다. 최근에는 아세톤이 사람의 호흡에서 배출되는 지방 연소 및 당뇨와 관련된 생체 표식 인자(Biomaker)로 알려지면서 실내 공기 질 모니터링뿐만 아니라 극미량의 아세톤 농도 측정을 통한 비만 모니터링, 질병 진단 등 스마트 헬스케어 분야에서도 주목을 받고 있다.
연구팀은 3차원 패터닝 기술과 원자층 증착법을 이용해 정렬 다공성 나노 구조체를 제작하고 가스 확산 시뮬레이션을 기반으로 가스 감지소재로 사용되는 이산화티타늄의 두께를 정교하게 조절, 고성능의 초고속 아세톤 가스센서를 제작하는 데 성공했다.
또 제작된 가스센서를 50ppm(parts per million, 100만 분의 1) 농도의 아세톤에 노출키는 실험을 진행했으며, 3차원 정렬 다공성의 이산화티타늄 기반의 감지소재는 극대화된 비표면적과 가스 확산이 용이한 기공 구조 효과로 1초 만에 아세톤을 감지했다.
가스 반응도는 박막 형태로 제작된 가스센서에 비해 약 169배 높은 수치를 달성했으며, 이 수치는 이산화티타늄을 감지소재로 하는 가스센서 중에는 세계 최고 수준이다. 또 제작된 가스센서의 이론적 감지 한계는 극미량의 농도인 260ppt(parts per trillion, 1조 분의 1)까지 감지가 가능하다는 것을 확인했다.
이번 연구결과는 지난 15일 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 ‘스몰 메소드(Small Methods, Impact Factor:14.188)’에 온라인으로 공개됐다. 논문명은 ‘Rationally Designed TiO2 Nanostructures of Continuous Pore Network for Fast-responding and Highly Sensitive Acetone Sensor’다.
Donghwi Cho's research was highlighted in the media.
Recently, the team of Academician Huang Yonggang / Academician John A. Rogers of Northwestern University proposed a material strategy to solve this problem. Specifically, composite materials are introduced as soft encapsulation layers and mild adhesives that release compounds that are intended to cause a strong bitter taste when placed in the mouth. As a safety feature, the reflex response to this sensation will greatly reduce the likelihood of ingestion. The described material system includes a non-toxic bittering agent (denatonium benzoate) as a dopant in an elastomer (poly(dimethylsiloxane)) or hydrogel matrix. Experimental and computational studies of these composites and the release kinetics of bittering agents define key properties. Incorporating into various wireless skin integrated sensors proves their practicality in functional systems. This simple strategy provides valuable protection capabilities and has a wide range of practical relevance to child welfare monitored by wearable devices.
https://min.news/en/health/2f557691b1e0a00a752602fd9f6c22c0.html
Donghwi Cho's research was highlighted in the media.
빛으로 동작하는 저소비전력 고성능 가스센서 개발
연구팀은 근접장 나노패터닝 기술을 이용해 이 문제점을 해결했다. 3차원 정렬 다공성 나노구조를 형성하고, 원자층 증착법을 통해 산화물 증착과 함께 내부 결함을 정교하게 조절했다. 이를 통해 자외선과 가시광 등 빛에 의해 동작하는 무히터 저소비전력 가스감지 소재를 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 가스 센서를 저가의 LED(Light emitting diode) 빛을 이용해 5ppm(parts per million : 100만 분의 1) 농도의 이산화질소에 노출하는 실험을 진행했다.
3차원 정렬 다공성 나노 구조체의 내부에서 발생하는 빛의 산란과 증폭 효과로 세계 최고 수준의 가스 감응도인 1만2200%를 달성했다.
또한 광학 시뮬레이션을 통해 3차원 정렬 다공성 나노 구조체의 내부에서 발생하는 광증폭 현상의 원리를 규명하는 데도 성공했다.
이번 연구결과는 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Science’ 12월 온라인판에 게재됐다.(논문명: Optically Activated 3D Thin-Shell TiO2 for Super-Sensitive Chemoresistive Responses: Toward Visible Light Activation)
Donghwi Cho's research was highlighted in the media.
Researchers have developed a new easy-to-use smart optical film technology that allows smart window devices to autonomously switch between transparent and opaque states in response to the surrounding light conditions.
https://n.news.naver.com/article/023/0003532487
https://tjmbc.co.kr/article/3pYtQWe8O9xf9w
http://kids.donga.com/?ptype=article&no=20200527142234750979
Donghwi Cho's paper was published in Advanced Science as an Inside Front Cover Article.
To take advantage of nanostructures beyond their large surface area for light-activated gas sensing, in article number 2001883, Seokwoo Jeon, Young-Seok Shim, Ho Won Jang, and co-workers introduce a new class of UV-activated sensing of rationally designed highly periodic 3D TiO2. The 3D TiO2 facilitates 55 times enhanced light absorption and ultra-sensitive NO2 sensing properties with a detection limit of ∼200 ppt at room temperature.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.202170012
Camouflage and chemical sensor researches were introduced in the media.
[국방과학] 미래육군과학기술연구소, “미래전에 활용되는 첨단부품소재는?”
Gecko-inspired, conductive dry adhesive patch research was introduced in ARIRANG TV.
A soft, sticky patch that conforms to the skin could lead to better heart monitor electrodes and find use in tattoo-like sensors
A new take on adhesives inspired by sticky gecko feet has led to soft, stretchy silicone patches that conduct electricity and cling fast to skin, even when underwater (ACS Nano 2016, DOI:10.1021/acsnano.6b01355). The material could be used as comfortable, low-cost, reusable electrocardiography (ECG) electrodes for heart monitoring. Today’s disposable silver-based ECG electrodes have rigid metal parts and use glues that can irritate the skin. They can come off when wet or from too much movement, limiting a user’s ability to shower or exercise during longer periods of monitoring.
The new material could also be “crucially important in next-generation skinlike technologies for wearable electronics,” says John A. Rogers, a materials science professor at the University of Illinois, Urbana-Champaign, who was not involved in the work. Rogers and others are developing conformable tattoolike sensors to monitor fitness and various health conditions. The new material could make such devices more durable while doubling as an electrode.