Enhancement of Energy-Harvesting Performance of Magneto-Mechano-Electric Generators through Optimization of Interfacial Layer

Kim, Sohyeon 영남대학교 대학원 2022 국내석사

Among various energy harvester paradigms, the simple cantilever-structured magneto−mechano−electric (MME) energy generator comprises a piezoelectric material laminated on a magnetostrictive metal plate and permanent magnets as proof mass, exhibiting excellent magnetic energy-harvesting performance. The MME generator is a promising candidate for the self-powering system of wireless sensor networks (WSNs) The current challenge in using MME energy harvesters is the mechano−electric coupling at the interface between the piezoelectric material and magnetostrictive metal layer, which depends significantly on the mechanical properties of the interfacial adhesive layer. In this study, the effects of four types of adhesives which have all different mechanical properties interfacial layers on the output power and environmental and fatigue resistances of MME harvesters are systematically investigated. An optimized MME energy generator with an adhesive interfacial layer of 18.8 μm thickness and elastic modulus of 3.1 GPa achieves colossal enhancement (∼300%) with a maximum output power density of 0.92 mW/cm2, while a 10 Oe (=10 G = 1 mT in air; 60 Hz) magnetic field is applied. In addition, to investigate the reliability of the output performance of the MME generator in a practical environment, fatigue and thermal stability measurements were performed. The results showed the generator exhibits a robust endurance of continuous 108 fatigue cycles and excellent temperature stability in the range of −30 to 70 °C. Then it was demonstrated MME energy generator with an optimized adhesive produce sufficient output to turn on 120 white LEDs high intensity and continuously. Furthermore, a 0.1 F supercapacitor charged with MME generator with different adhesive epoxy layer. The results indicated that MME generator using optimized adhesive highest charging rate. And the charged supercapacitor operates multimode Bluetooth wireless sensor which was used to measure the temperature, humidity and acceleration of the surrounding environment. The presented MME generator, which harvests stray magnetic energy reliably, is promising as a low-cost and efficient autonomous power source for Internet of Things devices, wireless sensor networks, and so on. This study is provide method for enhancement of energy harvesting performance of MME generator. 자성 질량 체와 외팔 보 구조의 자기 전기 (ME) 복합물로 구성된 자기 기계 전기 (MME) 하베스터는 버려지는 교류 자기장을 활용하여 전기 에너지를 발전시켜 자율 사물 인터넷 (IoT) 센서에 전원을 공급할 수 있다. MME 하베스터에서 자기-전기 (ME) 복합체는 자왜 효과에 의한 자기-기계에너지 변환 및 압전 효과에 의한 기계-전기에너지 변환, 2단계의 에너지 변환과정을 가진다. 일반적으로 MME 하베스터는 압전 재료와 자왜 재료가 접착층에 의해 물리적으로 부착되어 있는데 ME 변환 특성을 높이기 위해서는 우수한 압전, 자왜 특성을 가지는 재료를 선정해야 하며 두 재료간의 계면결합특성이 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 모두 다른 특성을 가지는 4가지 접착제를 선정하고, ME 복합체의 접착층 최적화를 통해 자기-기계-전기 에너지 하베스터의 출력을 향상시켰다. 유한 요소 분석 및 실험을 통해 접착제의 탄성계수와 접착층의 두께를 최적화함으로써 MME 하베스터의 출력이 크게 향상되었다. 출력이 가장 우수한 접착제를 사용한 MME 하베스터는 기존 사용하던 접착제가 쓰인 MME 하베스터(0.8 mW)의 300%에 해당하는 2.5 mW의 최대 전력을 생성하였고, 접착제의 탄성계수 3.1 GPa, 접착층의 두께는 18.8 um의 특성을 가지고 있었다. 접착제의 탄성계수와 접착층의 두께가 자기-기계-전기 하베스터의 출력에 영향을 미치는 주요한 인자임을 확인하였다. 접착층의 두께가 얇은 순서대로 따라 출력값이 증가하는 것으로 보아 접착층의 두께가 하베스터의 출력에 영향을 미치는 더욱 지배적인 요인임을 확인하였다. 또한 최적화된 접착제가 쓰인 MME 하베스터는 108 회의 피로사이클로 강력한 내구성과 -30도에서 70도의 온도범위에서 우수한 열적 안정성을 보였다. 각각의 접착제를 사용한 MME 하베스터는 모두 100개의 흰색 LED를 연속적으로 구동할 수 있을 만큼 충분한 출력을 보였고, 그 중 출력이 가장 우수한 접착제를 사용한 MME 하베스터는 0.1 F의 슈퍼캐패시터를 충전하고 온도, 습도, 가속도를 측정가능한 IoT 무선센서를 지속적으로 구동하여 실제로 하베스터의 구동을 확인할 수 있었다.

Low-rank and sparse decomposition in multivariate regional quantile regression

Kim, Sohyeon Sungkyunkwan University 2022 국내석사

We propose multiple response regional quantile regression by imposing low-rank plus sparse structure assumption on the underlying coefficient matrix. This work is motivated by the analysis of cancer cell line encyclopedia (CCLE), which consists of resistance responses to multiple drugs and gene expression of cancer cell line. In the CCLE data analyses, we assume that only a few genes are relevant to the effect of drug resistance and some genes could have similar effects on multiple responses. To estimate the drug resistance response from gene information and to identify the genes responsible for the sensitivity of the resistance response to each drug, we propose a penalized multivariate quantile regression by decomposing the quantile coefficient function into the low-rank and sparse matrices. Low-rank part is a constant function of quantile levels, which represents the global pattern of the coefficient function, whereas the sparse matrix can be smoothly varying by quantile levels, which represents a local and specific pattern of the coefficient function. We prove low-rank and sparse consistency under regularity conditions. We compute the proposed penalized method via alternating direction method of multipliers (ADMM) algorithm. We also propose the novel tuning parameter selection using Generalized information criterion (GIC) to select parsimonious model with good prediction ability. In our numerical analysis using simulated data, the proposed method better predicts drug responses compared with the other methods. Real data application via CCLE reveals the usefulness of the proposed method. CCLE (암 세포주 백과사전) 데이터는 세포주들에 대한 24개 약물에 대한 저항반응과 유전자 정보로 이루어져 있다. 이러한 CCLE 데이터를 분석하기 위하여 다중 반응의 분위수 구간 회귀 계수 행렬에 구조적 조건을 준 모형을 제안한다. CCLE 데이터를 분석함에 있어서 회귀 계수 행렬이 분위수와 상관 없이 약물들끼리 전반적으로 비슷한 영향을 주는 하위 랭크와 약물별로 분위수마다 다른 영향을 미치는 성김 행렬의 합으로 표현될 수 있다고 가정한다. 하위 랭크 행렬과 성김 행렬은 각각 핵 노름(Nuclear Norm)과 L1 노름 제한자를 이용한 벌점화된 다중 반응 분위수 구간 회귀로 추정되었으며 목적 함수는 Alternative Direction Method of Multipliers (ADMM) 방법을 이용하여 최적화되었다. 시뮬레이션 데이터와 CCLE 데이터를 통해 제안된 방법이 다른 방법들에 비해 저항 반응과 유전자 정보의 상관 관계를 더 잘 규명하는 것을 확인할 수 있다.

Competitive interactions between Zygomycetes and Aspergillus originated from meju

Kim sohyeon 국민대학교 일반대학원 2022 국내석사

(A) Pathway to excellent quality interfacial crystals for high open-circuit voltage in perovskite solar cells

Kim, Sohyueon Kwangwoon University Graduate School 2021 국내석사

고효율의 페로브스카이트 태양전지를 개발하기 위해 소자가 가지는 성능 특성의 한계를 이해하고 이를 해결하기 위 한 다양한 연구가 진행 중이다 본 연구에서는 p i n 구조의 태양전지를 개발하여 다양한 p type 재료들에 따른 페로브스카이트 필름의 계면 결정성과 에너지 레벨이 소자의 V OC 특 성에 미치는 영향에 대해 연구하였다 페로브스카이트 계면의 상태에 변화를 주어 계면 결정성의 향상과 에너지 레벨 정렬을 성공적으로 이루어 내 소자의 V OC 를 크게 개선시켜 20% 가 넘는 고효율을 달성하였다 Chapter 1 에서는 광전기적 특성을 가지는 페로브스카이트 결정 구조에 대해 이해하고 태양전지의 동작 원리 에 대해 간략히 소개한다 . 또한 페로브스카이트 필름의 결정성에 영향을 미치는 벌크 영역 내의 화학양론적 변화와 다양한 계면 연구를 통해 계면이 소자 특성에 미치는 중요성에 대해 제시한다 본 연구에서 깊이 살펴보는 V OC 특성의 Shockley Qu e ssier limit 에 대해 살펴보고 이와 관련해 전하 손실과 이상계수 와의 관계를 통해 소자 내의 재결합 매커니즘에 대해 이해한다 Chapter 2 에서는 본 연구 에 사용한 용액 솔루션 합성 방법과 박막 공정 과정 , 다양한 측정 및 분석법에 대해 기술 한다 Chapter3 에서는 기존의 낮은 V OC 를 갖는 PEDOT:PSS 계면에서의 불완전한 결정성과 에너지 레벨 부조화가 전하 재결합의 원인임을 규명하여 conjugated polyelectrolyte (CPE-K) 물질과 과잉 초과된 MAI 전구체의 시너지 효과로 계면 특성에 변화를 주어 VOC가 크게 개선됨을 확인하였다. Chapter 4에서는 서로 다른 Voc 특성을 갖게 하는HTL물질로PEDOT: PSS, NiOx, PTAA, PTAA/PFN-Br의 계면 결정화와 에너지 레벨, ideality factor, VOC와의 관계로 재결합 매커니즘을 이해하였다. Various studies are underway to understand and solve the limitation of the performance characteristics of the devices to achieve high efficiency perovskite solar cells. In this study, solar cells with p i n structure were developed and then the effect of the surface crystallinity and energy level of perovskite film on the VOC characteristics of device was studied dependent on the various p type materials. By changing of the perovskite interfacial state, we successfully improved interfacial crystallinity and the alignment of energy level, greatly achieving a high efficiency of over 20% with improving the VOC of device. In Chapter 1, we understand about the perovskite crystal structure with photovoltaic properties and briefly introduce the operating principles of solar cell. Regarding the crystallinity of perovskite, non stoichiometry within the bulk region of perovskite film and various interfacial engineering suggest the importance of the interfacial properties. We examined Shockley Quessier limit of the VOC characteristics discussed in depth in this study and understand the recombination mechanism through the relationship between the charge loss and the ideality factor. In Chapter 2, it describes the solution synthesis methods and thin film process, and various measurement and analysis methods. In Chapter 3, traditional low VOC is caused strong interfacial recombination due to imperfect crystals and misaligned energy level in the PEDOT:PSS interface, and VOC improved by changing the interface characteristics with synergic effects by CPE K material and excess MAI precursor. In Chapter 4, we understand the recombination mechanism of perovskite solar cell by using HTL materials (PEDOT:PSS, NiOx, PTAA, PTAA/PFN Br) with different VOC characteristics through the relationship between interface crystallization and energy levels and VOC.

In-Situ Formed Building Block-Directed Syntheses of Metal-Organic Frameworks and Hydrogen-Bonded Organic Frameworks

Sohyeon Kim DGIST 2024 국내석사

Run-Time Reconfigurable System-on-Chip Platform with Programmable Resource Management

김소현 이화여자대학교 대학원 2022 국내석사

Field programmable gate array (FPGA) is reconfigurable hardware that can implement the desired digital system function by configuring the configurable logic block (CLB), which is an element where logic can be implemented, and the routing elements that connect CLBs. An embedded FPGA (eFPGA) is an integrated FPGA inside a System-on-Chip (SoC). Recently, as the complexity of the application increases, eFPGA integrated SoC that can be reconfigured with hardware optimized for computing requirements is highlighted. However, the long reconfiguration time that is inevitable during reconfiguration to the desired hardware during run-time is a problem in utilizing eFPGA. Frame-based configuration circuitry, which is used to reconfigure eFPGA, can shorten reconfiguration time because the region requiring reconfiguration can be directly accessed through frame address. Moreover, frame-based circuitry makes partial reconfiguration possible. Partial reconfiguration only reconfigures a specific partial region, so the size of the bitstream to be prepared is less than the bitstream for the entire eFPGA fabric area. Thus, it has the advantage of shortening the reconfiguration time and being able to operate independent tasks at the same time. It doesn't affect the hardware of other areas being executed. However, as several partial regions exist, if there is no manager which distributes finite eFPGA resources such as CLB for the tasks that require them, the eFPGA resource cannot be utilized efficiently, resulting in a low utilization rate and performance degradation. In this paper, we propose a run-time reconfigurable SoC platform with frame-based eFPGA that is created using open-source tools. In the proposed SoC platform, eFPGA can be reconfigured during operation time by utilizing an application CPU core and eFPGA configuration RISC processor (FCRP) that reconfigures eFPGA. In addition, we propose programmable resource management that is executed in the application CPU core. By implementing the resource management of partial regions programmatically in software, the tasks to be performed during the execution time can be scheduled according to the eFPGA resource status and resource allocation can be performed efficiently. As resource management is programmable, the user can modify and update eFPGA resource management strategy according to the characteristics of various application domains. A possible run-time reconfiguration scenario was simulated with a resource management software program. The proposed shortest load first + max utilization scheduling achieved high average utilization in all three scenarios. Compared to the baseline FIFO scheduling, utilization improved on average by 40.14% and up to 83.11%. Also, compared to baseline scheduling, total operation time was shortened by an average of 7.4-time steps and a maximum of 10-time steps. FPGA(Field Programmable Gate Array)는 로직을 구현할 수 있는 영역인 CLB(Configurable Logic Block)와 이들을 연결해주는 라우팅 요소들을 재구성 메모리를 통해 설정해줌으로써 원하는 디지털 시스템의 기능을 구현할 수 있는 재구성(reconfiguration)이 가능한 하드웨어이다. 이러한 재구성 가능한 특징을 가진 FPGA를 SoC(System-on-Chip) 내부에 집적한 것이 임베디드 FPGA(eFPGA)이다. 최근 어플리케이션의 복잡도가 증가함에 따라 함께 증가된 컴퓨팅 요구사항에 최적화된 하드웨어로 재구성할 수 있는 eFPGA를 포함한 SoC에 대한 관심이 높아지고 있다. 하지만 실행시간(Run-Time) 동안 원하는 하드웨어로 재구성하는 사이에 발생하는 긴 재구성 시간이 eFPGA를 활용하는 것에 있어 문제가 되고 있다. eFPGA를 재구성할 때 사용되는 재구성 메모리(Configuration Memory)의 한 종류인 프레임 기반(Frame-based)재구성 메모리는 재구성이 필요한 영역에 주소를 통해 바로 접근할 수 있기 때문에 재구성 시간을 단축할 수 있다. 프레임 기반 재구성 메모리를 사용하면 부분 재구성(Partial Reconfiguration)도 가능하다. 부분 재구성은 부분 영역(Partial Region)만을 재구성하면 되므로 준비해야하는 비트스트림의 용량이 전체 eFPGA 영역을 재구성하기 위한 비트스트림보다 적어 재구성 시간을 단축할 수 있다는 장점과, 실행되고 있는 다른 영역의 하드웨어에 영향을 주지 않아 독립된 작업들을 동시에 실행할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 다수의 부분 영역이 생기게 됨에 따라 이를 요구하는 작업에 CLB와 같은 유한한 eFPGA 자원(Resource)을 분배하는 관리자가 없다면, eFPGA의 자원 활용을 효율적으로 할 수 없어 활용률이 낮아지는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 오픈소스 툴을 활용하여 생성한 프레임 기반 eFPGA를 활용하여 실행시간 동안 재구성할 수 있는 SoC 플랫폼을 제안한다. 제안하는 SoC 플랫폼에서 어플리케이션 CPU 코어와 eFPGA를 재구성하는 프로세서(eFPGA Configuration RISC Processor, FCRP)를 활용하여 실행 시간 동안 eFPGA를 재구성할 수 있다. 또한, 어플리케이션 CPU 코어에서 실행되는 프로그래밍 가능한 형식인 자원 관리(Programmable Resource Management)를 제안한다. eFPGA의 재구성 해야하는 부분 영역에 대한 자원 관리를 소프트웨어로 프로그램 가능하게 구현함으로써 실행시간 동안 수행해야하는 작업을 eFPGA 자원 상태에 맞추어 스케줄링 하며 자원 분배를 효율적으로 수행할 수 있다. 자원 관리가 프로그램 가능함에 따라 다양한 어플리케이션 도메인에서 사용할 수 있는 eFPGA 특성에 맞추어 자원 관리 알고리즘을 사용자가 수정할 수 있다. 자원 관리 소프트웨어 프로그램으로 발생 가능한 운용시나리오에 대해서 시뮬레이션 하였다. 제안된 shortest load first + max utilization scheduling은 세 가지 시나리오에서 모두 높은 평균 utilization을 달성했다. Baseline scheduling인 FIFO scheduling 대비 utilization이 평균 40.14% 향상되었으며, 최대 83.11% 향상되었다. 또한 baseline 대비 run-time을 평균 7.4 time step, 최대 10 time step을 단축하였다.

Engineering synaptic behaviors of ReRAM device for the hardware neuromorphic system

김소현 한양대학교 대학원 2019 국내석사

기존 폰노이만 방식의 컴퓨터와 달리 인간의 두뇌를 모방한 뉴로모픽 시스템은 매우 낮은 소비 전력(~15W)과 자가 학습 능력을 갖기 때문에 현재 차세대 전자 소자로 각광받고 있다. 하드웨어 뉴로모픽 소자를 구현하기 위하여 우수한 특성의 시냅스 소자 제작에 필수적이며 이는 학습과 기억에 관여하는 필수 요소 중 하나이다. 시냅스 소자는 고밀도의 집적도, 저전력 동작, 선형적이고 대칭적인 컨덕턴스 변화, 우수한 재현성 등의 물리적, 전기적 특성이 충족되어야 한다. 다양한 차세대 메모리 소자를 이용한 시냅스 소자 구현에 대한 연구가 진행되고 있으나, 그 중에서도 특히 저항성 메모리(ReRAM) 에 대한 연구가 활발히 이루지고 있다. 이는 ReRAM의 간단한 구조, 저전력 구동, Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) 호환성 등의 장점으로 인하여 이상적인 시냅스 소자를 구현할 수 있는 가능성이 크기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 시냅스 소자 구현을 위하여 다양한 구조의atomic layer deposition(ALD) 기반 ReRAM 소자를 제작하였다. 제작된 각 소자들의 I-V 그래프를 도출하여 안정적인 저항성 스위칭을 나타내는 것을 입증하였다. 또한 각 소자들로부터 우수한 시냅스 특성을 도출하기 위하여 두 가지 방식의 실험을 설계하였다. 첫번째 실험은 기존 HfO2 스위칭 층 위에 TaOx 층을 삽입함으로써 스위칭 층 내의 산소 공공의 농도를 제어하여 안정적이고 점진적인 컨덕턴스 변화를 도출하였고, 두번째 실험은 새로운 유형의 펄스 측정 방법을 제안하여 상충 관계인 컨덕턴스의 선형성과 컨덕턴스 비율을 동시에 향상시켰다. 이를 통하여 제작된 ReRAM 기반 시냅스 소자들이 우수한 특성으로 하드웨어 뉴로모픽 시스템에 적용 가능할 것이라는 가능성을 입증하였다.

High moisture extrusion processing technology for meat alternatives with soy and pea protein isolates

김소현 Graduate School, Korea University 2022 국내석사

Plant-based meat alternatives are one of the promising protein sources in the future. High moisture extrusion (HME) facilitates development of fibrous whole-muscle like structure. Pulse protein is a good source of high quality plant protein due to its low cost and the presence of high amounts of proteins. High moisture extrusion is a complex process that depends on both the properties of the protein ingredients and extrusion parameters. The objective of this study was pea protein blending application with soy protein, discovery of useful characteristics of soy and pea protein for manufacturing TVP, confirmation of the effects of control cooling and cooking temperatures and optimization of blending formulation and extruder conditions for fiber structure and texture formation. Cutting strength, moisture content, nitrogen solubility index, free SH group content and scanning electron microscopy of TVPs were analyzed to determine their physicochemical properties, microstructure, texture and fiber structure. Soy showed superior characteristics compared to pea, which supports the fact that soy is appropriate for TVP manufacturing, but synergy was achieved by regulating extrusion conditions. The water absorption capacity of the soy isolate protein was remarkable and this characteristic could affect viscosity of TVP raw material mixture, moisture content of manufactured TVP. As the cooling temperature decreased, the moisture evaporation was suppressed and increased the moisture content of TVP produced. As the cooking temperature increased, the difference between the transverse and longitudinal cutting strength increased, making the fiber structure clearer. In this study, the optimal TVP condition was the formulation of SPI:PPI = 4:1, 160 °C cooking temperature and 50 °C cooling temperature. The characteristics of HME-TVP were evaluated through comparative analysis with cooked chicken breasts. This study showed the feasibility of HME-TVP as a source of manufacturing plant-based meat alternatives. 식물성 대체육은 미래의 유망한 단백질원 중 하나로서 주목받고 있다. 고수분 압출성형공정 (high moisture extrusion, HME)은 실제 육류의 근섬유 개발을 가능케하는 방법이다. 두류 단백질은 높은 품질의 식물성 단백질로서 낮은 가격과 대량생산이 가능한 좋은 공급원이다. 고수분 압출성형공정은 단백질 원료의 특성과 압출성형 공정조건 모두에 영향을 받는 복잡한 가공법이다. 본 연구에서는 고수분 압출성형 공정을 활용하여 대두 및 완두 단백질의 Blending 효과, TVP 생산 시 각 원료의 역할 및 기능, 고수분 압출성형 공정조건 변화 효과, 최적 배합비 및 공정조건의 확립을 목표로 하였다. 생산된 TVP는 cutting strength, moisture content, nitrogen solubility index, free SH group content, scanning electron microscopy 등 다양한 분석법을 통해 물리화학적 특성, 미세구조, 조직감 및 섬유구조에 대해 알아보았다. 대두단백질이 완두단백질에 비해 뛰어난 특성을 나타냈으며, 이는 TVP 제조에 대두단백질이 적절하다는 사실을 뒷받침하지만, 공정조건 조절을 통해 Blending 시너지 효과를 얻을 수 있었다. 대두분리단백의 뛰어난 수분보유력은 TVP 원료 혼합물의 점도와 생산된 TVP의 수분함량에도 영향을 미쳤다. cooling 온도가 감소할수록 수분증발량 억제에 효과적이었고 TVP의 수분함량이 증가하였다. cooking 온도가 증가할수록 수평 및 수직방향의 cutting strength 차이가 뚜렷하게 증가하였다. 본 연구의 최적 TVP 조건은 SPI:PPI = 4:1의 배합비와 160 °C cooking 온도 및 50 °C cooling 온도로 얻어졌다. 최적 TVP의 특성은 조리된 닭가슴살과의 비교분석을 통해 평가되었다. 본 연구를 통해 식물성 대체육 제조원으로서 고수분 압출성형 TVP의 가능성을 규명할 수 있었다.