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.

Design of hybrid composites using crystallinity variable

손성우 Graduate School, Yonsei University 2013 국내박사

Phase transformation behavior and deformation mechanism of Fe-10Mn-6Al-0.2C lightweight steel with multi-phase

이찬영 Graduate School, Yonsei University 2014 국내박사

Recently, the automotive industry is facing a critical problem such as high oil cost and environment pollution. To resolve the problem, many studies have progressed. Among them, the lightweight steel contained Al concentration has attracted interest because the weight loss of automotive steel leads to both high fuel efficiency and the reduction of CO2 exhaust.The Fe-high Mn-high Al-C lightweight steel exhibited the low density and excellent combination of ultimate tensile strength and ductility. However, the high Mn concentration causes the high production cost and poor weldability. Accordingly, many researchers have been performed studies for the reduction of Mn concentration. The medium Mn lightweight steels are newly developed and the reduction of Mn concentration gives rise to complex microstructure due to the decrease in austenite stability. However, there are a few studies on the initial understanding such as formation and deformation mechanism of each phase. Therefore, the solidification, phase transformation, and deformation behaviors of each phase were investigated in Fe-Mn-Al-C lightweight steel.The solidification behavior of the Fe-10Mn-6Al-0.2C (wt.%) lightweight steel can be experimentally explained by that the liquid phase is fully solidified to δ-ferrite and then transforms to austenite during further cooling, resulting in a dual-phase consisting of ferrite and austenite at room temperature. However, the microstructures of an ingot of the lightweight steel exhibit as passing solidification region consisting of liquid, ferrite, and austenite because there were the narrow ranges of single δ-ferrite and solidification sections. The formation mechanism of each phase can be explained by the phase transformation during continuous heating and cooling. The austenite phase transforms to κ′-carbide at temperatures of below 700 °C and then κ′-carbide and ferrite transforms to austenite at temperatures up to 1000 °C during continuous heating. Meanwhile, the austenite transforms to marteniste phase during continuous cooling. The deformation behaviors of each phase are investigated. In case of the ferrite, the deformed microstructures are observed at beginning strain and tangled dislocation and dislocation cell are observed at high strain. The martensite phase cannot deform at low strain, the growth of martensite are observed at high strain. Meanwhile, TRIP and TWIP effect operated sequentially with increasing strain in lightweight steel with retained austenite. The TRIP occurred at relatively coarse grains, followed by the TWIP at fine grains with increasing tensile strain, resulting in the high strain hardening.

Developing top-down and bottom-up processes for phase engineering with 2D layered polymorphs

Kim, Sera Sungkyunkwan university 2019 국내박사

독특하고 다양한 물성을 지닌 이차원 물질은 차세대 디바이스 재료로 각광 받고 있지만, 이 특성을 선택적으로 활용하기 위한 물질의 구조 및 전기적 특성 제어 방법에 제한이 있었습니다. 이에 착안하여, 상부 및 하부 양방향에서의 이차원 적층 물질 내 구조적 또는 전기적 상전이 달성을 위한 2가지 기술을 개발했습니다. 하향식 방법은 이차원 물질에서 레이저 조사를 통한 두께 제어에 기반한 위상 패터닝 기술이며, 상향식 방법은 이차원 전자화물과의 적층 구조 형성을 통한 원거리 전하 전송 현상에 의해 이루어집니다. 본질적으로 6족 전이 금속 칼코젠 물질의 금속 및 반도체 성질을 가지는 구조상, 또는 이 두 구조상의 동종접합 구조는 실온에서 안정적입니다. 동종접합은 하나의 물질에 있는 두 개의 다른 전자 상태 사이의 접합이며, 이는 전이 금속 칼코젠 물질의 다형성에 기반을 둔 새로운 개념입니다. 금속과 반도체가 국부적으로 존재하는 전이 금속 칼코젠의 동종접합 구조는 접촉 저항이 훨씬 낮고 전자 이동도가 높은 이차원 물질 기반 트랜지스터 구현과 에너지 장치의 수소 생산을 향상시킵니다. 기계적 박리 또는 트랜스퍼 방식으로 기존에 연구된 헤테로 접합과 비교할 때, 하향식 공정으로 제조된 동종접합은 원자적으로 예리하고 깨끗하며 이차원 소자에 최적화되어 있어 앞으로의 이차원 소자 활용에 큰 가능성을 보여줍니다. 구조적 상전이 이외에도, 레이저 조사를 통한 위상 패터닝 기술은 두께에 따른 전자 구조 상전이, 즉, 국부적 두께 제어를 통한 전자 상태 사이에서의 동종접합에 이용될 수 있습니다. 이차원 물질에서 캐리어 밀도는 격자 대칭, 밴드갭 및 전기 전도 특성을 결정하며, 이러한 특성은 물질의 초전도 및 구조 상전이와 같은 흥미로운 현상의 원인이 됩니다. 이차원 물질을 도핑 하기 위해 개발된 화학적 처리 및 이온 게이팅은 높은 도핑 밀도를 달성했지만 그 유효 범위는 1nm로 제한되어 이차원 반도체의 다양한 활용에 제한이 있었습니다. 이차원 전자화물과의 접촉 계면에서 높은 농도의 도핑을 생성하는 상향식 방식을 통하여 이차원 반도체의 전자화학 포텐셜과 공핍 영역을 조절하는 것이 가능합니다. 두 물질의 계면으로부터 약 100nm에 걸쳐 1014cm-2 보다 높은 밀도를 갖는 전하 이동이 관찰되며, 이후의 구조 상전이된 전이 금속 칼코젠을 관측할 수 있습니다. 또한, 이 상향식 방식은 다층 그래핀의 층간 적층 거리 및 차수에 영향을 미치고, 금속 전극과의 접촉 영역을 금속으로 전기적 상전이 시키며 소자 성능을 향상시킬 수 있습니다. Two-dimensional (2D) atomic crystals are promising for use in next-generation devices, however, there have been a limitation of selective and controllable ways to exploit its unique and various characteristics. We developed 2 techniques for achieving the structural or electrical phase transition in 2D layered materials in desired direction, from the top and bottom; a top-down process is phase patterning technique through lase illumination with thickness control in 2D layered materials, and a bottom-up process of phase transition is produced by contact-driven lone-range charge transfer from 2D electride [Ca2N]+⋅e− into 2D layered materials. Homojunction is a junction between two different electronic states in a single substance, which is a new concept based on polymorphism in transition metal dichalcogenides (TMDs). Unlike conventional materials in nature, group 6 TMD materials (e.g. MoTe2) can be both metallic (1T’), semiconducting (2H) and their homojunctions at room temperature. The homojunction concept has realized 2D transistors with much lowered contact resistance, improving device mobility in electronic devices and hydrogen production in energy devices. Compared to widely-investigated heterojunction by mechanical exfoliation or transfer methods, the homojunction fabricated by our top-down process is atomically sharp and clean, which shows great potential for optimized 2D devices. Beyond structural phase transition, the laser-driven phase patterning technique shows thickness-dependent electronic phase transition, which indicates that local thickness-control would provide homojunctions between different electronic states by different thicknesses. In 2D layered materials, the carrier density determines the lattice symmetry, bandgap, and electric conductivity properties to investigate extreme carrier density-driven phenomena such as superconductivity and structural phase transition. Chemical functionalization and the ionic gating, developed for doping 2D materials, have achieved the high doping density, but their effective ranges have been limited to ~1 nm, which restricts the use of highly doped 2D semiconductors. This renews interests on contact-based doping method where the electric-field screening, related to balancing electron chemical potentials and depletion widths (Debye lengths) of the 2D semiconductors, generates the doping near the contact interface. A charge transfer (i.e. electron doping) from [Ca2N]+⋅e− to MoTe2 with a carrier density higher than 1014 cm-2 over long distance (~100 nm) from the interface is observed and it effects subsequent structural phase transition in the doped region of the MoTe2. Moreover, this bottom-up is affected to the interlayer stacking distance and order of multi-layered graphene, and the electronic phase transition from semiconducting to metallic at its contacted region with metal electrodes which attributed to enhance device performance.

ADPLL용 고해상도 2 단계 시간-디지털 변환기 설계

박안수 건국대학교 대학원 2011 국내석사

본 논문에서는 All-Digital Phase-Locked Loop (ADPLL)에서 사용하는 고해상도의 2 단계 시간-디지털 변환기 (Time-to-Digital Converter, TDC)를 제안한다. TDC는 ADPLL에서 Digitally Controlled Oscillator (DCO)의 출력 주파수와 Reference 주파수의 Phase Error를 검출하여 Digital Code로 출력하는 Block이다. Phase Error를 검출하는 척도인 Resolution에 따라 ADPLL의 In-band Phase Noise 성능을 결정하게 되므로 TDC는 높은 성능의 Resolution을 필요로 한다. 기존의 TDC 구조는 Inverter로 구성된 Delay Cell에 의해 DCO의 출력 주파수를 Delay하고 각각 Delay된 파형과 Reference 주파수의 Rising Edge를 비교하여 출력하는 구조로 이루어져 있다. 이러한 구조의 TDC의 Resolution은 Inverter의 Delay Time에 의해 결정되기 때문에 특정 공정상에서 성능을 크게 높일 수 없는 문제점이 있다. 본 논문에서는 Phase-Interpolator와 Time Amplifier를 사용한 2-step으로 TDC를 구성하여 월등히 높은 성능의 Resolution을 구현하였다. Inverter의 Delay Time을 Phase-Interpolator를 통해 더 작은 Delay Time을 구현하였으며, Coarse TDC의 Delay Time을 Time Amplifier를 사용하여 시간 축으로 증폭하여 Fine TDC에 입력하는 구조로 구성하였다. 제안하는 2-step TDC는 0.13 μm CMOS 공정으로 설계 하였으며 전체 면적은 0.7 mm2이다. 0.357 ps의 Resolution과 155 ps의 Input Range를 구현하였으며, 1.2V의 공급전압에서 전력 소모는 14.4 mW이다. This paper presents a high resolution 2-step time-to-digital converter used in ADPLL. TDC is used to compare the ADPLL output frequency with reference frequency and should be implemented with high resolution to improve the phase noise of ADPLL. The conventional TDC consists of delay line realized inverters, whose resolution is determined by delay time of inverter and transistor size, resulting in limited resolution. In this paper, 2-step TDC with phase-interpolator and time amplifier is proposed to meet the high resolution by implement the delay time less than an inverter delay. The accuracy of phase-interpolator is improved for process variation using the resistor automatic-tuning circuit. The gain of time amplifier is improved using the delay time difference between two delay cells. It is implemented in 0.13 μm CMOS process and the die area is 0.7 mm2. Power consumption is 14.4 mA at the supply voltage of 1.2 V. The resolution and input range of the proposed TDC are 0.357 ps and 155 ps, respectively.

(A) study on GeSbTe alloy film grown by RF magnetron sputtering deposition and ion beam sputtering deposition (IBSD)

백주혁 Graduate School, Yonsei University 2005 국내석사

Ge2Sb2Te5 합금 박막은 joule열을 가했을 때 빠른 상변화를 가지며 이때 저항에 큰 차이가 생기는 것으로 보고 되고 있으며 이를 이용한 메모리 소자 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 메모리 소자 이용에 보다 적합한 Ge2Sb2Te5 박막을 성장 시키기 위해 두 가지의 성장 방법을 이용해 각각의 시료를 다양한 측정을 통해 비교하고 그 원인을 분석 했다.RF magnetron sputtering의 성장 방법은 3개의 원소인 Ge, Sb, Te이 sputtering시 각각의 뜯겨져 나오는 양의 차이에 의해 정확한 2:2:5의 조성을 이루지 못 했으며 이로 인해 박막의 특성에 나쁜 영향을 가져 왔다. 정확하지 못한 조성은 열처리 시 원자들의 확산을 유도 했고 그 원인으로 인해 Ge1Sb2Te4 Rhombohedral구조가 상 분리되어 나타났으며 표면에 산화된 Te 과 Sb의 이상 분포를 확인 할 수 있었다. 이런 요소들은 표면에 거칠기를 5.5배 증가시키고 막의 두께를 5.4% 감소 시키는 원인이 되었다. 막의 이러한 변화들은 소자를 만들 때 많은 문제점들을 야기하게 된다. 그러나 상변화시 표면저항 값은 비결정질에서 FCC로 상변화시 10-5배 다시 Rhombohedral구조가 나타날 때 10-7배 떨어 졌다. 이를 개선하기 위해 Nitrogen implantation 과 IBSD(ion beam sputtering deposition) 증착방법을 이용했다. 그 결과 Nitrogen은 박막 내에서 열처리 시 결정화를 막아 면저항의 차를 줄였으며 보다 많은 열에너지를 주어야 상변화가 생기는 것을 알 수 있었다. IBSD 방법은 RF magnetron sputtering 방법과는 달리 적은 에너지로 뜯겨져 나온 원자들에 의해 증착되는 방법특성상 조성비가 2:2:5에 근접 했으며 그로 인해 원자들의 확산에 의한 상분리가 나타나지 않았으며 표면거칠기는 상변화시 5.06Å 에서 9.3 Å으로 다시 10.36Å으로 각각의 상에서 변화되었다.(비결정질 → fcc → hexagonal). 두께변화 또한 2.4%, 3%로 위의 다른 두 방법보다 소자응용에 가장 적당한 특성을 가지고 있음을 밝혀 냈다.또한, 다양한 실험을 통해 상변화시 생기는 현상과 여러 물리량을 조사 했다. XPS 실험 결과는 열처리에 따른 박막의 상변화가 일어나더라도 core level state의 결합 변화는 보여지지 않았다. 이 결과는 비결정질에서 결정질로 전환시 원자간에 결합의 변화 없이 그대로 이루어 진다는 뜻이고 빠른 상변환의 이유를 추측 할 수 있는 결과이다. 그럼 결정화시 어떤 형태로 진행되는가를 알아 보기 위해 등온 열처리에 따른 XRD 분석을 통해 FCC구조에서 hexagonal로 상변화시 1방향으로 nuclei의한 grain들이 점점 성장해가며 상이 변화 된다는 사실도 알 수 있었다. DSC실험을 통해서는 비결정질에서 FCC구조로 전환시 의 effective activation energy가 필요하다는 사실도 알 수 있었다. 또한 hall 측정을 통해 Ge2Sb2Te5는 반도체 물질로써 p-type이며 1x1021cm-3이상의 hole carrier 을 가진다는 것을 알았다.Currently, GeSbTe alloy films of phase transformation material are actively studied for using data storage devices. Generally, Ge2Sb2Te5 film is grown by RF magnetron sputtering, we made Ge2Sb2Te5 film with the same method. After annealing, the sheet resistance of films suddenly decreased from 684MΩsq to 0.003MΩsq at each phase along transforming amorphous to rhombohedral phase. But we observed heterogeneous stoichiormetry(2:2.7:4.5), phase separation and oxygen contamination in the films. Also the thickness of films increased about 5.4% and the surface roughness of those increased from 13Å to 74.8Å.We used two methods to improve Ge2Sb2Te5 alloy films property. First, films grown by RF magnetron sputtering were implanted by nitrogen. The nitrogen suppressed grain growth of films. The result led to the reduction of crystalline and the RMS roughness, but the sheet resistance was decreased by phase transition. Second, The Ge2Sb2Te5 alloy films were grown by the ion beam sputtering deposition method. Those had good stoichiormetry(2:2.05:4.45). The atomic diffusion was not observed for phase separation of those. The RMS roughness and density of films changed smaller than the first method. The sheet resistance of the films decreased from 185MΩsq to 0.0003MΩsq during phase transition (between amorphous and hexagonal).Also we obtained results of physical properties of Ge2Sb2Te5 alloy films through various experiments. Core level states of Ge2Sb2Te5 films were investigated using XPS. In the result, core level chemical states were invariant during phase transition. Merely, according to growth methods, the nitrogen implantation and annealing temperature, the oxygen contamination differently indicated. In the isothermal experiment, we found the process method of the phase transformation. When the phase of Ge2Sb2Te5 films was changed from metastable phase (fcc) to stable phase (hexagonal), the grains were grown in 1-direction from the nuclei. Also from DSC experiment, the effective activation energy was from the amorphous phase to the fcc phase. We measured an electrical property from hall measurement. The Ge2Sb2Te5 film was a p-type semiconductor material and the carrier concentration was above 1x1021cm-3

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.

PS법을 이용한 3차원 형상 측정의 효율성 향상에 대한 연구 : A Study for Improving Efficiency of 3-D Shape Measurement Using PS Method

상건예 호남대학교 대학원 2013 국내석사

In this study, the phase shifting method, which is one of the approaches of fringe projection technique that widely used for three-dimension shape reconstruction and measurement, was studied extensively. By using a three-dimension measurement system consists of a commercial DLP(digital lighting process) projector, a CCD(Charge-coupled Device) camera and a pentium 4 desktop computer with LabVIEW installed, To shorten the a latest proposed phase wrapping algorithm was applied. It was verified that the algorithm was not only less time consuming than the conventional ones but also able to produce wrapped phase with satisfying quality. Based on that algorithm, a novel phase extraction algorithm, namely three-frame phase extraction algorithm, was proposed, With the proposed algorithm, the phase unwrapping, which considerably time consuming process, is not necessary for continuous phase calculation. In addition, with three-frame phase extraction algorithm applied, experiments to retrieve the three-dimension shape were carried out and the results were thoroughly inspected in order to analyze the error. Consequently, error compensation was done for the periodicla non-linear systematic error of the algorithm with a LUT(Lookup Table) generated according to the ideal linear phase. 본 연구에서는, 3차원 형상 측정법인 줄무늬투사법에 있어서 위상 전이법에 대하여 공부를 하였다. DLP 프로젝터, CCD 카메라와 컴퓨터로 구성된 3차원 형상 측정 시스템에서 LabVIEW 프로그램을 이용하여 기존 3차원 형상 측정용 알고리즘에 대하여 연구를 하였다. 기존의 위상전이법의 측정주기를 단축과 측정과정을 간화 시킬 수 있는 직접 위상 추출법을 제안하였다. 이 방법은 프로젝터의 비선형적인 감마 곡선을 인한 오차에 민감하지 않으며 위상 펼침과 다르게 대신에 광강도욜을 통하여 연속적인 위상을 추출하는 점으로 위상전이법의 과정을 간화시켰다. 또한, 직접 위상 추출법은 기존의 삼각함수를 이용한 위상 랩핑(wrapping) 방법에 의해 컴퓨터에서 계산할 때 수요시간 매우 긴 단점을 극복할 수 있다. 본 연구에서는, 직접 위상 추출법을 이용하여 3차원 형상 측정을 수행하였으며, 실험 결과를 통하여 이 방법은 3차원 형상 측정에 적합한 것을 확인하였다. 측정 결과의 정확도를 확보하기 위하여 실험용 프로젝터의 비선형적인 감마 곡성을 측정하여 대응한 Lookup Table를 생성하였다. 이 Lookup Table를 통하여 프로젝터의 비선형적인 감마 곡선을 보정하였다.

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.

Implementation of phase-contrast and dark-field X-ray imaging using an antiscatter grid

이헌우 Graduate School, Yonsei University 2024 국내박사

Phase-contrast X-ray imaging can non-destructively visualize the inner structures of samples that are hardly visible with conventional X-ray imaging. This technique exploits the phase effects experienced by the X-rays in the samples, thus requiring highly coherent X-ray source and optical devices to capture the phase effects. For this reason, the implementation of phase-contrast X-ray imaging was limited to synchrotron facilities just a few decades ago. To overcome this limitation, many research efforts have been made to translate this technique from synchrotron facilities to a laboratory setup that uses conventional X-ray tubes. While various phase-contrast X-ray imaging techniques have been developed, most of them suffer from difficult implementation, complex setup, high computational burden, and high cost. In this context, phase-contrast X-ray imaging using a single grating is a promising technique owing to relaxed requirement on the coherence of the X-rays, a simple setup, and the short acquisition time. Moreover, the technique can be implemented in a single-shot mode, enabling low-dose phase tomographic imaging such as tomosynthesis and tomography. However, the practical implementation of the technique is limited by low angular sensitivity, low spatial resolution, and image artifacts, requiring further study on this technique. This thesis tackles with the implementation, optimization, and improvement of the technique for a high-quality image at a laboratory setup. In this study, we developed a Monte-Carlo simulator to virtually implement single-grid-based imaging and investigate the image characteristics of the technique. The Monte-Carlo simulator was demonstrated by comparing its results with theoretical predictions and experimental results. We then proposed a method to determine the device layout of single-grid-based X-ray imaging for a high-quality phase-contrast image. The device layout determined by this method was compared with other device layouts to confirm its effectiveness. Moreover, phase-contrast tomographic imaging with the proposed device layout was presented to expand its viability. We finally proposed the artifact removal methods to eliminate the related image artifacts such as wraparound and Moiré artifacts which are commonly occurred in single-grid-based imaging. We experimentally demonstrated the efficacy of these artifact removal methods. This work will be helpful in the practical implementation of this technique, thus making it widely used for the related applications including bone-structure analysis, in-vivo animal imaging, edge-detection, and food inspection. 위상대조 X-선 영상화 기법은 기존의 흡수대조 X-선 영상에서 볼 수 없었던 물체의 내부 구조를 비파괴적으로 확인할 수 있는 최신 X-선 영상 기법이다. 이 기법은 위상효과를 검출하기 위해 높은 결맞음을 갖는 X-선원과 광학 장비가 필요하다. 이로 인해 몇 십년 전만 해도 위상대조 X-선 영상화는 방사광가속기 시설에서만 주로 사용되었다. 이 한계를 극복하기 위해 방사광가속기에서 실험실 셋업으로의 전환을 위한 수 많은 연구가 수행되어왔다. 지금까지 많은 위상대조 X-선 영상화 기법들이 개발되어 왔지만 대부분의 기법들은 구현의 복잡성, 복잡한 셋업, 많은 계산량, 그리고 높은 비용으로 인해 현실적으로 사용되기 어려운 실정이다. 이러한 맥락에서 최근 단일 그리드 기반 X-선 영상화 기법이 완화된 결맞음 조건, 간단한 셋업, 빠른 영상 획득 시간으로 인해 큰 관심을 받고 있다. 또한 이 기법은 한 번의 촬영으로 위상정보를 획득할 수 있기 때문에 저선량 단층합성촬영과 단층촬영과 같은 3차원 영상화를 실현할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 이 기법은 낮은 각도 민감성, 낮은 공간 해상도, 영상 인공물로 인해 그 활용이 제한되어 추가적인 연구가 필요하다. 본 학위논문은 단일 X-선 그리드 기반 위상대조 영상 구현, 시스템 최적화, 영상화질 개선을 다룬다. 본 연구에서는 단일그리드 기반 위상차 영상화 기법의 화질 특성을 분석하기 위해 몬테칼로 기반 시뮬레이터를 개발하였으며, 이를 이용하여 그 화질 특성을 분석하였다. 몬테칼로 시뮬레이터의 유용성은 이론적 예측과 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 또한 영상화 시스템의 기하학적 구조를 결정하기 위한 전략을 제안하였다. 이 전략으로 결정된 기하학적 지오메트리는 단순히 민감도와 인공물을 제거하기 위한 기하학적 지오메트리와 비교하여 그 유용성을 검증하였다. 더 나아가, 제안하는 시스템의 기하학적 구조에서 위상대조 단층 촬영을 구현하여 단층 촬영으로의 적용 가능성을 확인하였다. 마지막으로, 겹침(wraparound) 인공물과 모아레(moiré) 인공물을 제거하는 방법들을 제안하였으며 실험적으로 검증하였다. 본 연구는 향후 단일 그리드 위상차 X-선 영상화 기법의 실질적인 구현(in-vivo 소동물 영상화, 뼈 구조 분석, 경계 검출, 식품 검사 등)에 유용할 것으로 기대한다.