Bulk Nanoencapsulation of Phase Change Materials (PCMs) via Spontaneous Spreading of a UV-Curable Prepolymer

박현수 명지대학교 대학원 2021 국내석사

Phase change materials (PCMs) have received considerable attention for various latent heat storage systems for efficient thermal energy utilization. And since the time when the concept of encapsulating PCMs was introduced, various encapsulation approaches were proposed to make the effective capsule. Herein, a facile and fast method for the bulk nanoencapsulation of organic PCMs is proposed in novel way, based on the thermodynamically spontaneous spreading phenomenon of three immiscible liquid phases. In this approach, a complete engulfing of PCM nanodroplets (core phase) by immiscible prepolymer droplets (coating phase), both of which are bulk-dispersed in another immiscible medium (continuous phase), is thermodynamically driven by the relation between the surface energies of the core, coating, and continuous phases. To demonstrate the proposed method, melted n-docosane (PCM, core phase) nanodroplets are completely engulfed within a couple of minutes by immiscible polyethylene glycol diacrylate (PEGDA, coating phase) in an aqueous poly(vinyl alcohol) solution (continuous phase), and the PEGDA layer quickly cross-linked upon UV irradiation to form a rigid shell protecting the PCM core. Short manufacture time for encapsulating PCM indicates that this approach is one way for overcoming the conventional problems regarding its productivity. As-produced PCM nanocapsules display promising heat storage and release performances as well as high durability in repeated heating−cooling cycles in both dry and wet states. Therefore, the proposed process may serve as a useful platform for bulk production of PCM nanocapsules with various core and shell compositions in a facile, fast, and scalable way. 상전이물질 (Phase Change Materials, PCMs)은 효율적인 열 에너지 활용을 위한 다양한 잠열 저장 시스템에서 많은 관심을 받아 왔다. 그리고 상전이물질을 캡슐화하는 개념이 도입된 이후로, 효과적인 캡슐을 만들기 위한 다양한 봉지 공정 방법들이 제안되었다. 본 연구에서는 3개의 비혼화성 액체상들의 열역학적으로 자발적인 퍼짐현상을 기반으로 한 유기 상전이물질의 벌크 나노캡슐화를 위한 손쉽고 빠른 새로운 방법을 제안한다. 이러한 접근법에서 비 혼화성의 고분자 전구체 액적 (코팅상) 에 의한 상전이물질의 나노 크기 액적 (코어상) 의 완전 삼킴 배열이 다른 비혼화성의 매질 (연속상) 에서 벌크 상태로 분산되어 있으며, 이것은 코어상, 코팅상 그리고 연속상 간의 표면 에너지 간의 관계에 의해 열역학적으로 도출될 수 있다. 우리가 제안한 방법을 설명하기 위해, 액체 상태의 n-docosane (n-docosane, PCM, 코어상)의 나노 크기의 액적들이 비혼화성인 폴리에틸렌 글라이콜 디아크릴레이트 (Poly(ethylene glycol) diacrylate, PEGDA, 코팅상) 에 의해 수 분 내에 완전히 감싸지는 것을 관찰했고, 코팅된 PEGDA 층은 UV 조사를 통해 빠르게 경화되어 코어상인 상전이물질을 보호하는 단단한 쉘이 된다. 상기 방법으로 만들어진 상전이물질 나노캡슐은 의미 있는 열 저장 및 방출 성능 및 건식 혹은 습식 상태 모두에서 반복적인 가열-냉각을 수행했을 시 높은 반복성을 보여주었다. 상전이물질 캡슐의 제조 시간이 크게 줄어든다는 점은 생산성 측면에서 기존에 문제점이라고 인식되었던 점을 크게 개선할 수 있는 것이라고 생각된다. 그러므로 제안된 공정은 손쉽고, 빠르며 확장성 있는 방식으로 다양한 코어 및 쉘의 비율을 가지는 상전이물질 나노캡슐의 대량 생산을 위한 유용한 플랫폼의 역할을 할 수 있다.

(A) phase-modulated laser system of ultra-low phase noise for compact atom interferometers

이기세 명지대학교 대학원 2017 국내박사

The ability to precisely stabilize and manipulate the frequency and phase of laser light is at the basis of tremendous progress in precision measurements, including the realization of optical clocks and tests of the fundamental laws of physics. During the last decade low-noise phase-locked lasers are also extensively used for such as Magneto-Optical Trap (MOT), Bose-Einstein Condensation (BEC) and manipulating atoms, and in particular , atom interferometry which is used in precision gravimeters , sensitive gyroscope and precision measurements of fundamental constants. Especially, recent development of atom interferometers using Raman transition between two ground states has stimulated the development of various schemes of low phase-locked laser source as the performance of the interferometer depends on the phase stability of the laser lights which induce the Raman transition. In addition, to realize a portable atom interferometer which can be used as an inertial sensor, a compact and stable phase-locked laser system is required. This phase-locked laser system, which is an indispensable part for the atom interferometer, has also been studied and improved for compactness and simplification. The phase-locked laser system is commonly used for make coherent lasers which have two different frequencies. And to achieve low phase noise, fast feedback mechanisms are necessary to efficient remove the frequency or phase fluctuations of the laser emission. But, these two frequency laser system always occurs phase noise cause of laser frequency’s difference. For reduce phase noise, we demonstrated a phase-locked laser system of a single diode laser with an EOM and a Fabry-Perot cavity (F-P cavity). This laser system's phase lock scheme is constructed by a single diode laser. After the single diode laser light passed through the F-P cavity to achieve sufficient power for atom interferometry, we added a tapered amplier (TA) to our laser system. For use in atom interferometry, this laser's frequency has been locked by monitoring the beat note with a reference laser. A grating feed-backed external cavity diode laser (ECDL), locked to 87Rb atomic transition line, is used as our reference laser. In order to achieve precise measurements of the two dierent frequency lasers, the output signal of a beat frequency should be measured with a fast PD. We assessed phase noise using a spectrum analyzer and FFT analyzer, before and after passing the TA. To obtain more accurate phase noise data, we analyzed our laser system in two parts. One is the laser system itself, and the other is electronic (RF) devices. In this laser system’s total phase noise is equal to the vector sum of the phase difference of the individual sideband. Therefore these coherent sidebands has always opposite phase difference π, occurs destructive interference. This is very powerful and robust system cause of laser’s frequency always meet same experience in our experiment. Our phase locked laser system has 217 mW output power with ultra low phase noise, -110 dBc/Hz in 10Hz and -138 dBc/Hz in 100 kHz. After then, we have constructed vacuum system for atom-interferometer. Our vacuum system consists of two parts. One is MOT (magneto optical trap) for trap the Rb atom, the other is using for atom interferometer. We build the our vacuum chamber consist of common products with MOT chamber, and atom-interferometer parts are made by titanium cause of less influence with magnetic field. We add a Indium sealing window for easy to observe atom's cooling, trapping and interference. Our vacuum system reached the 1.6 × 10-9 (torr), we baked the our vacuum chamber almost 100 days with 120℃. It's satisfied with atom interferometer experiment. 본 연구에서 우리는 가속도계나 중력계로 사용되는 원자 간섭계의 위상잠금 레이저 시스템을 하나의 반도체 레이저와 전자광학변조기, Fabry-Ferot 필터와 테이퍼드 증폭기를 사용하여 낮은 위상잡음을 가지도록 구성하였다. 먼저 하나의 반도체 레이저가 루비듐 의 초미세 구조 만큼의 주파수 차이가 나도록 하기 위해 의 전이선에 포화흡수분광을 통해 주파수 잠금을 한 레퍼런스 레이저로 외부공진기형 레이저를 사용하였다. 이후 이 레퍼런스 레이저와 마스터 레이저의 비트 주파수를 이용하여 마스터 레이저의 주파수가 루비듐 전이선의 가운데인 3.417 GHz 떨어진 곳에 위치하도록 만들었다. 이는 본 실험에서 3.417 GHz로 작동시키는 EOM의 사이드밴드 신호가 루비듐 원자의 전이선에 일치하도록 만들기 위함이다. 이렇게 구성된 시스템은 EOM 의 캐리어 주파수를 줄여주어야 초미세 구조 전이에 해당하는 6.834 GHz 의 차이를 가지는 레이저 신호만 나오게 되는데 캐리어 주파수를 줄여주기 위하여 6.834 GHz의 Free spctral range를 가지는 Fabry-Perot 필터를 사용하여 EOM의 사이드 밴드만 통과 할수 있도록 만들었다. 이렇게 필터링 되어 나오는 두 개의 사이드 밴드 시그널을 원자 간섭계에 사용될수 있도록 테이퍼드 증폭기를 사용하여 증폭하여 준다. 최종적으로 나오는 두 개의 결맞음성을 갖춘 사이드 밴드 시그널은 서로 만큼의 위상차를 가지고 있기에, 보강간섭에 의해 위상잡음이 없을것으로 예측되었으나, 전자 장비에 의한 line 노이즈와 Fabry-Perot cavity를 안정화 시켜주기 위한 변조 신호가 잡음 원인으로 측정되었다. 연속적이고 정확한 측정을 위해 시스템을 전자 시스템 부분과 레이저 시스템 부분으로 나누어서 직접 제작한 LabVIEW 프로그램을 사용하여 측정하였다. 본 실험에서 최종적으로 측정된 위상잡음은 10 Hz에서 -115 dBc/Hz 이며 100 kHz에서 -138 dBc/Hz를 기록하였으며, 이는 기존에 보고되었던 두 대의 레이저를 위상잠금 하여 얻은 신호의 위상잡음에 비해 현저히 낮은 위상잡음이다. 이때의 레이저 파워는 217mW 의 크기를 지니고 있었으며, 테이퍼드 증폭기에 의해 추가되는 잡음신호는 거의 없었다. 이번 실험은 세계최초로 수행되었던 사이드밴드 시그널만을 이용한 낮은 위상잡음 레이저 시스템 구현이었으며 우리는 이 시스템을 적용하여 원자 간섭계 실험을 하기 위한 진공 챔버를 디자인 하고 제작하였다. 휴대용 간섭계 실험을 위해 진공 챔버의 내부 부피는 2 L 이하로 제작되었으며, 자기광학 포획 이후, 간섭이 일어나는 부분을 자성의 영향을 줄이고, 진공상태에서의 Out-gassing을 방지하기 위해 티타늄 챔버를 제작하여 구성하였고, Id seal 윈도우를 사용하여 관측 및 실험의 편의 성을 증대 시켰다. 진공은 100일이 넘는 시간 동안 인듐의 녹는점보다 낮은 120 ℃ 정도의 베이킹을 통해 1.6 × 10-9 (torr) 의 진공도를 기록하였으며, RGA를 통해 Rb 앰플의 작동 및 진공상태를 확인한 결과 우수한 UHV (ultra-high vacuum)을 획득했음을 알수 있었다. 직접적인 간섭실험을 위한 레이저 시스템의 셋팅에 문제점이 존재하여, 직접적으로 실험을 이 이상 진행하지는 못하였지만, 향후 원자 간섭계 및 전자기 유도 투과 등의 원자 물리 실험에 우리가 제작한 저잡음 위상잠금 레이저가 폭넓게 쓰일 수 있기를 기대해본다.

Direct Detection of Optical BPSK/QPSK Signal without Digital Signal Processing

HA TRONG THUY Graduate School, Myongji University 2018 국내석사

광 통신 분야에서 레이저 통신 기술은 높은 통신 속도, 우수한 기밀성, 낮은 전력 소모 등으로 유명하다. 수정 된 평형 광 위상 동기 루프 (OPLL) 기반의 코히어런트 광통신 검출기의 설계는 많은 연구에 의해 광범위하게 연구되고 있다. OPLL은 국부 발진기 빔, 변조기, 전압 제어기 발진기, 신호 빔, 광학 필터, 180도 하이브리드, 평형 검출기, 루프 필터 및 신호 수신기로 결합된다. 국부 발진기 빔과 전압 제어 발진기는 신호 빔의 위상 변화를 추적한다. 위상 편차의 요구 사항은 매우 낮으며, 본 시스템은 이를 조정하기 쉽도록 했다. 송신기가 BPSK 또는 QPSK 신호를 송신 할 때, 수신기는 기저 대역 신호를 신속하게 복조 할 수 있으며, 이는 코히어런트 레이저 통신에 중요한 의미를 갖는다. 본 논문에서는 정교한 디지털 신호 처리 알고리즘을 적용하지 않고도, 위상 잡음을 직접 보상하여 5-Gbd/s 속도의 BPSK 및 QPSK 신호의 복조된 신호 검출을 실험적으로 입증하였다. 코히어런트 검출을 위한 위상 보상은 국부 발진기에 위치한 위상 변조기에 단순히 위상 에러 신호를 인가하여 위상을 보상함으로써 달성했다. 이 오차 신호는 BPSK 및 QPSK 신호에 대해 이진 또는 I/Q 채널이 동일한 전력 레벨을 유지하도록 발생시킨 것이다. In the field of optical communication, laser communication technology is well-known for its high communication rate, good confidentiality, low power consumption and so on. The design of coherent optical communication detection based on modified balanced optical phase-locked loop (OPLL) is extensively investigated by many groups research. It combined by local oscillator beam, modulator, voltage controller oscillator, signal beam, optical filter, 180 degrees hybrid, balanced detector, loop filter and signal receiver. Local oscillator beam and voltage control oscillator trace the phase variation of signal beam simultaneously. The requirement of the phase deviation is very low, and the system is easy to adjust. When the transmitter transmits the binary phase shift keying (BPSK) or quadrature phase shift keying (QPSK) signal, the receiver can demodulate the baseband signal quickly, which has important significance for the coherent laser communication. In this thesis, we experimentally demonstrate the coherent detection of 5-Gbd/s BPSK/QPSK signal by direct phase compensation of the phase noise without applying a sophisticated digital signal processing algorithm. The phase compensation is achieved by utilizing simply an error signal to a phase modulator located at the local oscillator for coherent detection. The error signal is generated to keep the same power level for binary or quadrature signal.

Design of hybrid composites using crystallinity variable

손성우 Graduate School, Yonsei University 2013 국내박사

Phase Transition Suppression and Electrochemical Property of Aliovalent-ion-doped Stabilized Zirconia

Buyoung Kim 부산대학교 2018 국내박사

9 mol% MgO 부분안정화 지르코니아(MgPSZ)의 상 형성 및 이온 전도 특성 향상을 위하여 다양한 원자가를 가지는 첨가제(Al2O3, MgO, MnO2)에 따른 미세구조 변화와 전기화학적 특성에 대하여 연구하였다. Al2O3가 첨가될 수록 MgPSZ는 단사정 상이 형성되어 10 mol% 첨가시 98.72%의 단사정 상분율을 형성하였다. 반면, MgO 첨가는 MgPSZ의 안정화를 야기하여 단사정 상을 감소시키고 정방정 상이 증가하였다. 이러한 단사정과 정방정 상의 형성으로 인하여 MgPSZ의 전도성은 Al2O3를 첨가할수록 감소하였고, MgO 첨가의 경우 5 mol%까지 첨가량이 증가할수록 향상됨을 확인하였다. 이는 Transmission electron microscopy (TEM)분석 결과, Al2O3와 Mg와의 반응으로 인해 입계에 Mg-rich 상이나 forsterite (Mg2SiO4) 그리고 spinel (MgAl2O4) 등의 이차상이 생성되는 반면 첨가된 MgO는 MgPSZ의 Si와 반응하여 입계에 forsterite (Mg2SiO4)를 형성함을 확인 하였다. 따라서, Al2O3의 첨가는 MgPSZ의 안정화제인 Mg와의 반응을 통하여 입계에 이차상을 형성하고 이로인해 MgPSZ가 탈안정화하지만 MgO의 첨가는 입계에 형성되는 siliceous phase를 scavenging하여 입계 저항을 낮춘 것으로 판단된다. 이러한 입계상 형성뿐만 아니라 산소공공형성에 따른 MgPSZ의 이온 전도 특성 향상에 대한 고찰을 위하여 전이금속인 Mn 도핑에 의한 MgPSZ의 상 안정성을 산화가 및 국부원자의 관점에서 연구하였다. 산소공공은 MgPSZ에서 MnO2첨가가 증가 할 수록 단사정 상이 감소하고 정방정 상이 증가하여 5 mol%와 10 mol% 첨가 시 정방정 상만 확인 되었다. 이렇게 Mn 도핑에 의하여 안정화된 정방정 상은 기존의 MgPSZ 내에 존재하는 정방정 상보다 열충격 이후의 안정성이 증가하였다. 이러한 상 안정성 향상에 의하여 10 mol%까지 MnO2의 첨가량이 증가할수록 MgPSZ의 전도성 또한 증가하였다. MgPSZ에 도핑된 Mn의 산화가가 Mn4+에서 Mn2+로 변화되어 Mn2+/Mn4+ ratio가 0.5188(MgPSZ)에서 1.2798(MgPSZ_10Mn)로 증가였으며 이로 인해 MgPSZ내의 산소 공공이 형성되었다. 각 시료의 Zr K-edge 대한 local atomic structure를 분석하였으며, MnO2 첨가량이 10 mol%까지 증가할 수록 Zr-O peak intensity 값이 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 Mn의 산화가 변화에 따른 산소 공공의 형성으로 인한 Zr-O의 배위수 변화가 MgPSZ 내의 Cubic상 증가에 기인한 것으로 판단된다. The phase formation and conductivity enhancement of 9 mol% MgO partially stabilized zirconia (MgPSZ) doped with aliovalent elements were studied. The fraction of the monoclinic phase in MgPSZ increased with the addition of Al2O3. On the other hand, the ionic conductivity of MgPSZ decreased with an increase in the Al2O3 content. The specimen with 10 mol% Al2O3 showed the lowest ionic conductivity (0.294 S∙cm-1). The transmission electron microscopy-energy dispersive spectrometer (TEM-EDS) results showed that the Mg-rich phase, forsterite (Mg2SiO4), and spinel (MgAl2O4) phases were formed along the grain boundaries of MgPSZ with the addition of Al2O3. The inter-granular phases, which were formed by the reactions between Mg and Al2O3, reduced the ionic conductivity of MgPSZ. This is because these phases hinder the conduction of oxygen ions in MgPSZ. On the other hand, the addition of up to 5 mol% MgO resulted in the stabilization of MgPSZ, which led to an increase in the cubic phase fraction and a decrease in the fraction of the monoclinic and tetragonal phases. The specimen with 5 mol% MgO also exhibited the maximum ionic conductivity (0.3915 S∙cm-1 at 1500 °C), and the forsterite (Mg2SiO4) phase was observed along the grain boundaries. The inter-granular phases formed by the reactions between Si and MgO reduced the grain boundary resistance. This is because the siliceous phase, which decreases the oxygen ion conduction, was scavenged by the formation of Mg2SiO4. In order to investigate the mechanism underlying the ionic conductivity enhancement of MgPSZ by the addition of transition metals, Mn-doped MgPSZ was used. The valence state changes of Mn and the local atomic structure of Mn-doped MgPSZ were examined. The fraction of the cubic phase increased with the addition of MnO2; 10 mol% Mn-doped MgPSZ exhibited the highest cubic phase fraction (98.72%) and was found to be more stable after 60 cycles of thermal shock than MgPSZ. The increase in the cubic phase fraction (as a result of Mn doping) also increased the conductivity of MgPSZ. The conductivity of 10 mol% Mn-doped MgPSZ was higher than that of MgPSZ and the other Mn-doped MgPSZ specimens. Doped Mn exhibited a high Mn2+/Mn4+ ratio, as confirmed by the X-ray photoelectron spectroscopy results. In the Mn-doped MgPSZ specimens, a change in the valence state from Mn4+ to Mn2+ resulted in the generation of oxygen vacancies, which in turn increased their cubic phase fraction. In order to investigate the mechanism underlying the increase in the cubic phase fraction and conductivity of MgPSZ upon Mn doping, the local atomic structure of Mn-doped MgPSZ was analyzed by Zr K-edge EXAFS. The number of Zr-O bonds decreased and their lengths increased with an increase in the Mn doping content. It was found that the oxygen vacancy generation due to the valence state change of substituted Mn resulted in an increase in the cubic phase fraction and the number of ionic conduction sites.

Phase-field Modeling of Precipitation in Metallic Alloys: Morphology, Kinetics and Hardening Effects

Ji, Yanzhou The Pennsylvania State University ProQuest Dissert 2018 해외박사(DDOD)

Precipitation hardening is an important strengthening mechanism in metallic alloys, which is realized by impeding the dislocation motions in the matrix via stress field due to the precipitate/matrix lattice mismatch. The precipitation hardening effect is largely determined by a series of inter-correlated factors including the feature and evolution of precipitate morphologies, e.g., the size, shape, volume fraction and spatial distribution of the precipitate and their evolution; the coherency state of the precipitate; and the detailed precipitate-dislocation interaction mechanisms. Therefore, understanding and quantifying the morphology and kinetics of precipitation is an important step towards the estimation of precipitation hardening effects, as well as the proper design of alloys and the optimization of thermo-mechanical processing routes.The phase-field approach, as a powerful meso-scale simulation method, has been successfully applied to understand the precipitation phenomena. However, there are still several remaining challenges for precipitation phase-field models. In this thesis work, the precipitation phase-field models have been further extended and applied to deal with precipitate phases with different thermodynamic descriptions, to predict the morphology evolution and kinetics of fully coherent and semi-coherent precipitates with the help of first-principles calculations, to predict the possible dislocation evolution pathway and morphology evolution during the sequential coherency loss of an initially coherent or semi-coherent precipitate, to understand the competitions between the diffusional and diffusionless transformation mechanisms, and to provide necessary information for theoretical precipitation hardening models.The precipitate phase, depending on the specific materials systems, can be treated using solid solution model, sublattice model, or stoichiometric compounds (line compounds). To deal with these different treatments, we use the Kim-Kim-Suzuki model for the solid solution and sublattice cases, where the equal diffusion chemical potential of alloying elements is assumed to remove the extra potential at the interface. An internal equilibrium is assumed for the sublattice model within different sublattices which converts the sublattice site fractions to alloy compositions. To deal with the precipitation of line compounds, we develop a phase-field model for chemical reactions, which can capture both the solute diffusion in the matrix phase and the linear chemical reaction kinetics.The phase-field model is then applied to investigate the precipitate morphology, kinetics and hardening effect of the fully coherent β’-Mg7Nd in Mg-Nd alloys. The necessary input parameters, including the formation energies, lattice constants and elastic constants of both the Mg matrix and the β’ phase, as well as the anisotropic interfacial energies, are all obtained from first-principles calculations. Especially, the formation energies of the slightly off-stoichiometric Mg7Nd compound are also calculated, which are used to fit the formation energies of β’ into a parabolic function of solute composition. The interplay between the anisotropies in misfit strain energy and interfacial energy is discussed in detail, showing their dominance in determining the precipitate morphology at different aging stages. The simulated β’ morphology, with both anisotropies considered, is consistent with experimental observations. Theoretical models based on Orowan’s equation is used to predict the hardening effect of β’-Mg7Nd.The phase-field model, with similar thermodynamic treatment of the precipitate phase to that of β’-Mg7Nd, is further applied to the semi-coherent θ’-Al2Cu in Al-Cu-based alloys. To more accurately simulate the precipitation kinetics, a temperature-dependent nucleation model, with necessary input from experimental observations, and a more accurate parameterization of interface kinetic coefficient, are considered in the model. The phase-field simulations, with materials parameters from validated sources, are performed for isothermal aging at 463 K, 503 K and 533 K. The simulated θ’ is of disk shape under the anisotropies of misfit strain energy, interfacial energy and interface mobility. The predicted θ’ precipitation kinetics, including the evolution of mean diameters, mean thicknesses and volume fractions, show acceptable agreement with experimental measurements. Possible model improvements and extensions to minimize the discrepancies are discussed.Coherency loss of the initially coherent or semi-coherent precipitate during continued precipitate growth is a manifestation of energy minimization, which relaxes the misfit strain energy at the expense of increasing the interfacial energy by creating line defects at the matrix/precipitate interface. To understand the kinetics of coherency loss, as well as its effect on precipitate morphology, kinetics and hardening effects, we equivalently consider the effect of line defects, as well as the evolution of their average spacings, on the formulation of misfit strain energies and interfacial energies in the phase-field model. We apply this model to γ”-Ni3Nb in IN718, where γ” is treated using the sublattice model, to predict the critical γ” size to trigger the coherency loss under different criteria and a known dislocation configuration at interfaces. We further apply the model to predict the sequential loss of coherency in θ’-Al2Cu, which predicts a coherency loss pathway with the minimum energy cost.Diffusional precipitation transformation can change its transformation mechanism with the change of alloy composition, temperature and cooling rates. For example, in Ti-6Al-4V, start from β phase, the α phase can be a diffusional product during isothermal aging or slow cooling, while becomes diffusionless product during fast cooling. To understand this competition, we combine the graphical thermodynamic approach to predict the possible transformation pathways, and the phase-field simulation to predict the microstructure evolution during continuous cooling of Ti-6Al-4V. The simulated (α+β) morphologies are attributed to the interplay between the diffusional and diffusionless mechanisms, as well as that between the nucleation and growth of α phase.

다중 위상 서브샘플링을 이용한 넓은 동작 범위의 위상 검출 기술

김수환 경북대학교대학원 2021 국내석사

With ever-increasing demands for low-noise and high-frequency clock signal generation, subsampling phase-locked loops (SSPLLs) have attracted a great deal of research efforts recently. Although SSPLLs have good phase-noise characteristics, they suffer from poor locking stability, which is mainly due to the limited linear range of subsampling phase detectors. In practical situations where digital noise and power/ground disturbance are high, the accumulated jitter may increase well beyond the detection range of the phase detector making the SSPLL lose locking. In this thesis, a multi-phase subsampling phase detector has been proposed. The proposed phase detector extends the linear range by subsampling the multi-phase signals of a VCO and combining them in the current domain by means of a charge pump. Through simulations, it is shown that the SSPLL with the proposed multi-phase subsampling phase detector is able to maintain the locking state even when the VCO phase noise is as high as –72dBc/Hz at 1-MHz offset from 1-GHz while the SSPLL with the conventional single-phase subsampling phase detector loses locking. 낮은 위상 잡음의 높은 주파수 클럭 신호 생성 요구에 따라, 최근 서브샘플링 위상동기루프 회로(SSPLL)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. SSPLL은 우수한 위상 잡음 특성을 획득할 수 있으나, 서브샘플링 위상 검출기(SSPD)의 제한된 선형 전달 특성에 의해 락킹 안정성(Locking Stability)이 떨어진다. 본 논문에서는 전압제어발진기(VCO)의 다중 위상을 동시에 서브샘플링하는 방식으로 넓은 범위의 위상 오차에 대해 선형 전달 특성을 확보하여, 기존의 단일 위상 서브샘플링 위상동기루프 회로(SP-SSPLL)보다 우수한 락킹 안정성을 보이는 다중 위상 서브샘플링 위상동기루프 회로(MP-SSPLL)를 제안한다.

컴퓨터음악과 phase music을 이용한 인터랙티브 멀티미디어 퍼포먼스 연구 : 멀티미디어음악 작품 <The Phase>를 중심으로

전우진 동국대학교 2017 국내석사

Phase music is a form of music that uses phasing as a primary compositional technique. Phasing is a compositional technique in which two instruments play the repetitive same melody in different beats. Thus, the two instruments gradually shift out of unison. It was popularized by minimal music composer Steve Reich. The computer music system made in this study is for phase music and interactive multimedia performance. The system developed in this study consists of controlling sound effects for phasing, the visualized image controlled by instrument’s sound and interaction between the two. The sound effects are divided for rhythm phasing and for pitch phasing. Delay effector and phase vocoder are used for rhythm phasing, and pitch shifter, granular synthesis and frequency filter are used for pitch phasing. The video system is designed to shape the musical instruments, and all video images are created in real time. In this study, composer used electric guitar and oboe, and the video images respond to the volume values of these two instruments. Video image of the electric guitar mainly visualizes rhythm phasing, and that of the oboe visualizes pitch phasing. So this images react eidetically to the instruments, thereby assisting the music. As digitization of analogue sound, phasing can be quantified, and it is now possible to use various methods such as pitch phasing. Not only rhythm and pitch phasing, but also tone change by change harmonics phase is phase music. These can create compelling music without compromising any existing phase music. Of course, that is not mean acoustic phase music is bad. However, the potential for musical use of phasing using computers are also attractive. And that is not limited in phase music. In the future, it will be an additional research topic to learn how artistic effects can be obtained from the basic elements of computer music, such as phasing. And that is not limited in phase music.

Effects of freezing and thawing cycle on the stiffness of sand using elastic wave velocity

강승호 Graduate School, Yonsei University 2024 국내석사

Phase change of moisture soil by freezing and thawing is an important consideration as it changes properties and stress transmission characteristics, which cause the changes of soil stiffness. Despite its significance and some previous individually considered cases, there has been limited attention given to understanding the alterations in soil stiffness through freezing and thawing process. In this study, the bender element tests were applied to investigate the effects of freezing and thawing on the stiffness of soil. Various material conditions, including the effective stress, the degree of saturation, and relative density were considered in all phases of unfrozen, frozen, and thawed sandy soils. With measured elastic wave velocities, which were shear and compressional wave velocities, elastic properties were calculated. Based on bender element test results, thermal and mechanical FE analyses were conducted to investigate further effect. From thermal analyses, thermal distribution was investigated by considering degrees of saturation and thermal properties changed by soil phase. After analysing thermal distribution, mechanical analyses were performed to investigate the changing lateral earth pressure acting on wall by considering mechanical properties based on bender element test results. From bender element tests considering freezing and thawing, it was found that the freezing and thawing led to increasing and decreasing of elastic wave velocity, respectively. For higher degree of saturation, more changes were observed as the moisture conditon can affect the interparticle contact, which is related to effective stress. Although elastic wave velocities were higher on dense condition, the ratio of them changed by freezing and thawing were not closly related to relative density. It was also found that small-strain shear modulus, small-strain elastic modulus and Poisson’s ratio significantly changed caused by each soil phase change. The increasing and decreasing of modulus showed that the stiffness can significantly be affected by freezing and thawing. By quatifying the differences with freezing and thawing, it was observed that the effect of freezing and thawing becomes stronger on higher degree of saturation, lower stress. From the thermal analyses, it was found that the lower the degree of saturation, the greater the temperature changed. In terms of lateral earth pressure acting on the wall, the lateral earth pressure increased with higher degree of saturation. However, the largest change was observed in dry conditions after thawing. Overall, the study emphasizes the importance of considering freezing and thawing effects on soil stiffness in coarse-grained soils even though those were mainly considered in fine-grained soils from previous studies. The findings contribute valuable insights to the understanding of geotechnical behavior in soils undergoing full cycles of temperature-induced phase changes, offering implications for the stability of structures in such environments. 동결 및 융해에 의한 지반의 상변화는 지반강성의 변화를 유발하는 물 성치 및 응력 전달 특성을 변화시키기 때문에 중요한 고려 사항이다. 이를 고 려하기 위해 국내 지반에 맞는 모래 지반에 대해 동결 및 융해의 전체 과정 을 통한 강성의 변화를 파악하는데 초점을 두어 연구를 진행하였다. 이에 본 연구에서는 모래 지반의 동결 및 융해과정이 강성에 미치는 영 향을 조사하기 위해 벤더 요소 시험을 수행하였다. 유효응력, 포화도, 상밀 도 등 다양한 조건을 기반으로 모래의 미동결, 동결, 그리고 융해의 모든 단 계를 고려하여 전단파 속도와 압축파 속도를 측정하였다. 이후 측정된 탄성 파 속도를 통해 동결 및 융해과정에 따른 지반강성계수를 계산하였으며, 시 험결과를 바탕으로 수치해석을 통해 열해석 및 역학적 해석을 수행하였다. 벤더 요소시험을 통해 지반의 동결 및 융해과정에 따라 입자 간의 접촉 조건 및 동결을 통한 강성의 증가로 인하여 탄성파 속도의 증가와 감소가 측 정되었다. 동결 상태에서 포화도가 증가할수록 탄성파 속도는 증가하였으며, 각 상태 별 탄성파 속도의 변화 역시 포화도가 높을수록 더 많은 변화가 측 정되었다. 미소변형률 전단탄성계수, 미소변형률 탄성계수, 포아송 비 역시 포화도가 증가함에 따라 더 많은 변화가 측정되었으며, 특히 완전 포화 상태 에서 뚜렷한 변화가 측정되었다. 수치해석을 통해 포화도가 높을수록 잠열의 증가로 인해 온도변화가 감 소하였으며, 건조상태에서 가장 뚜렷한 온도변화가 측정되었다. 또한 융해 과정으로 인한 벽체에 작용하는 수평토압의 변화를 측정하였으며, 포화도가 증가함에 따라 유효응력의 증가로 수평토압이 증가하였으나, 융해로 인한 수 평토압의 변화는 건조 상태에서 가장 뚜렷한 차이를 보였다. 벽체의 높이를 고려한 수평토압의 작용점 역시 포화도가 증가할수록 수평토압의 증가로 인 해 증가하였으며, 융해 과정 이후 건조 상태에서 가장 뚜렷한 차이를 보였다. 향 후 본 연구에서 동결 및 융해과정으로 인한 탄성파 속도 및 지반강성 계수의 변화를 정량화하여 제안된 식을 이용한다면, 국내 지반을 대상으로 하여 보다 안전측의 보수설계가 가능할 것으로 판단된다.

Designing superlattice-based phase change materials by adjusting bond properties and fabrication/evaluation of related electrical devices

임현욱 Graduate School, Yonsei University 2024 국내박사

Interfacial phase change material (iPCM), composed with alternating superlattice structure of GeTe (GT) and Sb2Te3 (ST) single phase PCMs, has been considering as the one of the most powerful candidates as next-generation PCMs by enhancing overall phase change characteristics. IPCM presents especially significant improvements in reducing switching energy due to their highly anisotropic structure, which minimizes entropic loss during the phase change operations. Contrary to the originally proposed melting-free phase change mechanism, recent studies suggest that the melt-quenching process occurs during the switching process, which results in disrupting the initial superlattice structure. This research elucidates the reversible phases of the GT/ST superlattice synthesized via molecular beam epitaxy (MBE). Phase change mechanism of GT/ST superlattice is investigated by reexamining the role of inherent vacancies, and advancements in GT/ST superlattice are achieved through engineering the composition rate of the inherent vacancies or selectively doping transition metal to modulate interspace of the superlattice. It is confirmed that Ge atoms require sufficient inherent vacancies for efficient site switching between vacancies and themselves, and the switching stability under cycling operation is improved with expanded interspace. GT/Ti-ST superlattice is developed through incorporating Ti into the ST layer in iPCM via molecular beam epitaxy (MBE). Structural analysis and density functional theory (DFT) calculations reveal that bond distortion and well-confined layers significantly enhance the phase change properties of the advanced iPCM. Coherently layered Ti-ST acts as an effective thermal barrier, localizing the heat generated in the vicinity of the interface. The Ge-Te bonds, which are adjacent to the strong Ti-Te bonds, are more elongated compared to those near Sb-Te. This elongation facilitates easier bond breaking for Ge atoms due to the increased Peierls-like distortion (Rlong/Rshort). Consequently, the advanced iPCM demonstrates superior performance in terms of cycling endurance, write speed, and write energy, surpassing previous iPCM records. Additionally, the advanced iPCM achieves well-confined multi-level states through the application of appropriate electrical pulses, highlighting its potential for neuromorphic memristors. By selectively modulating the covalency of interatomic bonds, stable multi-level states are achieved with suppressed resistance drift, positioning advanced iPCM as a potential neuromorphic memristor beyond the conventional PCM. This study also provides detailed structural analysis to understand the atomic behavior during the phase change process within different memory states in iPCM. Engineering bond anharmonicity and anisotropy through electrical delocalization and phonon behavior adjustments further advances the development of next-generation phase-change superlattices and neuromorphic memories. 계면 상변화 물질 (iPCM)은 GeTe (GT)와 Sb2Te3 (ST)의 단일상의 상변화 물질이 수 nm 이내로 교대로 쌓인 초격자 구조로 구성되어 차세대 상변화 메모리의 유력한 후보군으로서 각광받고 있다. 계면 상변화 물질은 특히 높은 이방성 구조로 인해 상변화 과정에서 발생하는 엔트로피적 소실을 낮춤으로써 동작 에너지를 줄이는데 큰 개선을 보였다. 해당 물질이 보고된 초기에는 고전적인 합금 기반의 상변화 메모리와 달리 융해 과정이 없는 상변화 메커니즘이 제안되었으나, 최근 연구에 따르면 상변화 과정에서 용융-냉각 과정이 발생하여 초기에 형성된 초격자 구조가 상변화 과정에서 붕괴된다는 보고들이 나오고 있다. 본 연구는 분자선 에피택시 (MBE) 공정을 통해 합성된 계면 상변화 물질의 가역적 상을 구현 및 분석하고, 막질 내 고유 결함의 역할을 재검토함으로써 계면 상변화 물질의 상변화 메커니즘을 규명하였다. 고유 결함의 조성 비율을 조절하거나 박막 내 전이 금속의 선별적 도핑 공정을 통해 초격자 구조내의 계면 상태를 제어함으로써 계면 상변화 물질의 발전을 이루었다. 계면 상변화 물질 내의 풍부한 고유 결함은, 박막 내 Ge 원자의 인접한 고유 결함과의 용이한 위치 전환을 통한 효율적인 상변화를 가능케하며, 기판에 수직한 방향으로 확장된 계면 공간으로 인해 반복 동작 안정성이 개선되었다. 위와 같은 계면 상변화 물질에 대한 이해에 기반하여, MBE 챔버를 통해 계면 상변화 물질의 ST 층에 티타늄 (Ti)을 선별적으로 도핑함으로써 개선된 계면 상변화 물질 (Advanced iPCM)이 개발되었다. 여러 구조 분석 및 밀도 범함수 이론 (DFT) 계산을 통해 티타늄 도핑을 통해 계면 상변화 물질 내 동작 층 (GT)의 결합 왜곡을 통한 상변화 동작 에너지 감소 및 제한 층 (ST)의 열적 구조적 제한 효과 강화로 인한 안정성 개선을 통해 계면 상변화 물질의 상변화 특성을 크게 개선하였다. 티타늄 도핑으로 인해 제한층의 합성 과정이 성장 우세 (Growth-dominant) 방식에서 핵질화 우세 (Nucleation-dominant) 방식으로 바뀜에 따라 균질한 계면 상태 확보가 가능해졌으며, 제한층의 결합 내 전자의 국지화가 강화됨으로 인해 열 장벽 효과가 강화됨으로써 계면 부근에서의 상변화 동작 효율이 개선되었다. 원자 수준에서 분석한 결과, 개선된 계면 상변화 물질 내 강한 Ti-Te 결합과 인접한 Ge-Te 결합은 기존의 Sb-Te 근처에 비해 보다 더 느슨해짐으로써 결합 왜곡(Ge-Te 의 팔면체 결합 모티프 내 긴 결합 대 짧은 결합의 길이 비율)의 증가를 통한 상변화 특성 개선의 기저를 파악하였다. 결과적으로, 티타늄 도핑을 통해 계면상변화 물질은 기존 계면 상변화 메모리의 동작 특성을 능가하는 쓰기 속도 및 쓰기 에너지, 구조 안정성 및 반복 동작 신뢰도를 보여준다. 또한, 원자간 결합의 공유도를 선택적으로 조절하고 적절한 전기 펄스를 인가함으로써 안정적으로 구획된 다중 레벨 상태를 구현하고 각 상태의 저항 변동을 효과적으로 억제함으로써, 고전적인 상변화 메모리를 넘어 뉴로모픽 멤리스터로서의 잠재력을 제시하였다. 최종적으로, 계면상변화 물질내 티타늄을 포함한 여러 전이 금속의 선별적 도핑을 통한 전하의비편재화 정도 및 포논 거동을 조절함으로써 결합 비조화성 및 비등방성 제어를 밀도범함수 이론을 통해 분석함으로써 기반한 차세대 상변화 메모리 및 뉴로모픽멤리스터의 후보군들에 대한 로드맵을 제시하였다.