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.

Heat Resistance and Biofilm Formation of Bacillus cereus Spores : Diversity of Their Capabilities and Inhibitory Effects of Spices in Korean Fermented Soybean Foods

Sohyeon Kim 고려대학교 대학원 2024 국내석사

This study investigated the heat resistance of Bacillus cereus spores in two forms: planktonic spores and spores in intact biofilm in two types of Korean fermented soybean foods. The study presumed the possible key parameters (physicochemical and nutritional properties) associated with their heat resistance and explored the potential of spices to decrease spore resistance and biofilm formation. For this, the D100°C-values of B. cereus ATCC 10987 and CH3 spores with strong heat resistance and prolific biofilm-forming capability were compared in various Jjigae-type (Cheonggukjang jjigae, Doenjang jjigae, and Gochujang jjigae) and Jang-type (Cheonggukjang, Doenjang, and Gochujang) foods commonly consumed in Korea. The D100°C-values of planktonic spores were significantly different depending on the type of food, i.e., Jang and Jjigae. Compared to Jjigae-type foods, the higher heat resistance of B. cereus spores was found in Jang-type foods (particularly Doenjang and Gochujang) with low water activity and high salinity. Especially in Jjigae-type foods, spore heat resistance showed a positive correlation with the pH of Jjigaes, suggesting that an acidic environment weakens the spores. Unlike Jjigae-type foods, the low water activity of Jang-type foods appears to increase the heat resistance of spores, making them less affected by pH. A negative correlation between the total fat content and spore heat resistance was found in Jjigae-type foods, but not in Jang-type foods. Meanwhile, regarding the heat resistance of B. cereus spores in intact biofilm, the D100°C-values were significantly higher (up to 6.50-fold) than those of planktonic spores in all Jjigae-type foods. The slightly acidic pH and amount of carbohydrates are likely related to the larger formation of extracellular polymeric substances (EPS) and thereby to the stronger heat resistance of B. cereus spores in biofilm. This study may be valuable to understanding the relationship between key parameters of foods and heat resistance of B. cereus spores with/without intact biofilm and to control their risks in different types of fermented soybean foods. Additionally, this study investigated the potential of polyphenol-rich spices extract (rosemary, cinnamon, and garlic) to reduce D100°C-values of B. cereus spores and spores in biofilm in tested fermented soybean foods. This study identified spice extracts as a promising reducing strategy against B. cereus spores with or without biofilm and biofilm formation. In particular, allicin-rich garlic extract effectively reduced spore viability and biofilm formation and even showed a synergistic effect when combined with heat treatment. Interestingly, high concentrations (160 mg/mL) of the extracts also completely inhibited biofilm development. Although there are limitations in removing established biofilms, the overall effectiveness of garlic extract suggests its potential as a food safety strategy. This study suggests the potential for spice addition to improve food safety by reducing the heat resistance of B. cereus spores in these foods. These findings offer promise for developing natural strategies to improve food safety and reduce the risk of B. cereus-related foodborne illness. 본 연구에서는 다양한 한국 대두 발효식품에서의 Bacillus cereus 두 가지 균주의 부유 포자 및 손상되지 않은 바이오필름 내 포자의 내열성을 조사하고 내열성에 영향을 미치는 식품 특성 (물리화학적 및 영양적 특성)를 추정하고 향신료 첨가를 통해 포자와 바이오필름을 억제하고 내열성을 감소시켰다. 먼저, 다양한 찌개형 식품 (청국장찌개, 된장찌개, 고추장찌개)과 장형 식품(청국장, 된장, 고추장)에서 이전 논문에서 강한 내열성과 높은 바이오필름 형성 능력을 갖는다고 알려진 B. cereus ATCC 10987과 CH3균주의 포자의 D100°C 값을 비교하였다. 한국에서 흔히 먹는 대두 발효 식품에서 플랑크톤 포자의 D100°C 값은 식품의 종류, 즉 장과 찌개에 따라 크게 달랐다. 찌개형 식품에 비해 수분활성도가 낮고 염도가 높은 장형 식품(특히 된장, 고추장)에서 B. cereus 포자의 내열성이 더 높은 것으로 나타났다. 특히 찌개형 식품에서 포자 내열성은 찌개 pH와 양의 상관관계를 보여 산성 환경이 포자를 약화시키는 것으로 추정되었다. 찌개형 식품과 달리 장형 식품의 낮은 수분활성도는 포자의 내열성을 높여 pH의 영향을 덜 받는 것으로 나타났다. 또한, 식품의 총 지방 함량과 부유 포자의 내열성은 찌개형 식품에서는 높은 음의 상관관계가 나타냈으나 장형 식품에서는 상관관계가 보이지 않았다. 한편, 온전한 바이오필름 내 B. cereus 포자의 내열성은 모든 찌개형 식품에서 플랑크톤 포자에 비해 D100°C 값이 상당히 높았습니다 (최대 6.50배). 특히, 고추장 찌개의 약산성 pH와 높은 탄수화물의 함량은 세포 외 고분자 물질의 더 많은 형성과 관련이 있을 것으로 추정되며, 이에 따라, 바이오필름 양이 많아져 바이오필름 내 포자의 내열성이 더 큰 것으로 판단된다. 이 연구의 결과는 식품의 주요 매개변수와 바이오필름의 유무에 따른 B. cereus 포자의 내열성 사이의 관계를 이해하고 다양한 유형의 대두 발효 식품에서 그 위험성을 제어하는데 유용할 것이라 사료된다. 다양한 한국 대두 발효 식품의 내열성을 토대로 청국장 찌개에서 B. cereus 부유 포자와 바이오필름 내 포자의 D100°C 값을 감소시키는 향신료 추출물 (로즈마리, 시나몬, 마늘)의 영향을 조사했다. 이 연구에서는 향신료 추출물이 B. cereus의 바이오필름 유무에 따른 포자와 바이오필름 형성성에 제어 그리고 이들의 내열성 감소에 효과적임을 확인했다. 특히, 알리신이 풍부한 마늘 추출물은 포자의 생존력과 바이오필름 형성 및 형성된 바이오필름의 양을 효과적으로 감소시켰으며, 열처리와 병행 시 바이오필름 유무에 따른 포자의 내열성을 감소시켰다. 흥미롭게도, 세가지 추출물 모두 고농도(160mg/mL)로 처리되었을 때, 찌개에서 B. cereus에 의해 형성된 바이오필름을 완전히 제거하였고, 심지어 바이오필름 형성과정에서 향신료 추출물이 첨가되었을 시, 바이오필름 형성을 완전히 억제하였다. 이러한 연구 결과를 통해, 마늘 추출물의 항균, 항포자, 항바이오필름 효과는 식품 안전 전략으로서의 잠재력을 시사한다. 이 연구 결과는 향신료의 사용이 발효 대두 식품에서 B. cereus를 제어하여 식품 안전을 개선할 수 있는 가능성을 제시한다.

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

Sohyeon Kim DGIST 2024 국내석사

Histone lysine demethylase 1A inhibitors, seclidemstat and tranylcypromine induce astrocytogenesis in rat neural stem cells

김소현 중앙대학교 대학원 2025 국내석사

Identifying the molecules that control neural stem cell fate would revolutionize treatment strategies for neurodegenerative diseases. Histone lysine demethylase 1A (KDM1A) demethylates the mono- and di-methyl groups of histone3 lysine 4 (H3K4) and H3K9 and plays an essential role in neural stem cell proliferation. In this study, we investigated the effects of Seclidemstat (SP-2577), a reversible KDM1A inhibitor, and tranylcypromine (TCP), a monoamine oxidase inhibitor and recently known as an irreversible histone lysine demethylase 1A inhibitor, on neural stem cells (NSCs). SP-2577 and TCP increased glial fibrillary acidic protein expression, decreased βIII-tubulin (TUBB3) expression, and phosphorylated signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) in rat NSCs. SP-2577 and TCP enhanced the transcription of Gfap and reduced Tubb3 transcription. Furthermore, SP-2577 increased the transcription levels of interleukin-6 and leukemia inhibitory factor, while TCP induced the transcription level of fibroblast growth factor 2. Therefore, we show that the KDM1A inhibitors, SP-2577 and TCP, induce astrocytogenesis in rats. These findings suggest that KDM1A is a target for regulating NSCs fate and provide insights into the molecular mechanisms underlying neurodevelopmental processes and epigenetics. 신경줄기세포의 운명을 조절하는 분자를 찾아내는 것은 신경퇴행성질환을 치료하는데 유용할 것이다. 히스톤 라이신 탈메틸화효소1A(KDM1A)는 히스톤3 라이신4 (H3K4)와 히스톤3 라이신9 (H3K9)의 한 개 및 두 개의 메틸기 (me1/me2)를 탈메틸화하는 효소로 신경줄기세포의 증식에 필수적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 가역적 KDM1A 억제제인 SP-2577 (Seclidemstat)과 비가역적 KDM1A 억제제인 tranylcypromine (TCP)의 효과를 조사했다. SP-2577과 TCP는 GFAP의 단백질 발현을 증가시키고 TUBB의 단백질 발현을 감소시키고 STAT3를 인산화시켰다. 또한 TCP는 tubb3의 전사 수준과 뉴런의 백분율을 감소시켰다. SP-2577은 성상세포발생과 관련한 사이토카인인 인터루킨-6를 증가시켰다. 따라서 SP-2577과 TCP는 NSC에서 성상세포발생을 유도한다. 이러한 연구 결과는 NSC의 운명을 조절하기 위한 표적으로써 KDM1A의 역할을 시사하며 신경발달 과정과 후성유전학 사이의 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 제공한다.

Design of ion-conducting polymer and utilization of anode for next-generation secondary batteries

김소현 Graduate School, Yonsei University 2024 국내석사

Ion-conducting polymers are high-performance polymer materials that contain functional groups with polarity and charge, facilitating the conduction of ions through the polymer matrix. This functional polymer has been utilized in battery applications as the polymeric electrolyte, electrode, and binder material because of its thermal, mechanical, and chemical stability. Recent advancements in energy storage, conversion systems, and environmental protection have increased the demand for high energy density and long-life batteries. Consequently, it is essential to address issues such as dendrite formation and volume expansion during charge and discharge at the metal anode. To overcome these limitations, the necessity for flexible and easily processable materials has prompted the focus on the development of ion-conducting polymers. First, ion-conducting polyimide containing PEO units was synthesized by condensation polymerization and used as anode protective film for aqueous zinc-ion batteries. The polyimide coating layer contains polar functional groups, such as ether (-O-) and carbonyl (-C=O-), which provide ionic pathways for zinc ions to move within the polymer. We demonstrate that cycle stability and performance depend on polyimide ionic conductivity and chemical structure and discuss design factors required to create high performance protective coating layers. Second, a 3D crosslinked network was synthesized by introducing an aromatic diamine as a crosslinking agent into the PVA-g-PAA (PgP). The PgP was synthesized through radical polymerization, using water as an eco-friendly solvent. The formation of amide bonds within the rigid molecular structure provides increased mechanical stability and improved binding forces, resulting in a 3D crosslinked network. We demonstrate that the functional group of the crosslinked agent affects the chemical and physical interactions of the binder, which in turn affects battery performance. This work shows a multifaceted approach to the design of balanced 3D crosslinked network binders for secondary batteries. By doing so, we present the synthesis and characterization of ion-conducting polymers for implementation in next-generation secondary batteries. Additionally, we believe this approach is essential to designing ion-conducting polymers. 이온 전도성 고분자는 극성과 전하를 가진 작용기를 함유하여 폴리머 매트릭스 내에서 이온의 전도를 촉진하는 고성능 소재로서 주목받고 있다. 이러한 기능성 고분자는 열적, 기계적, 화학적 안정성을 갖추고 있어 배터리 애플리케이션에서 고분자 전해질, 전극 및 바인더 재료로 널리 활용되고 있다. 최근 에너지 저장 및 변환 시스템, 그리고 환경 보호에 대한 요구 증가로 고에너지 밀도와 장수명을 갖는 배터리에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 금속 음극에서 발생하는 문제인 충전 및 방전 시 덴드라이트 형성과 부피 팽창을 해결하기 위해 유연하고 가공하기 쉬운 소재가 요구되며, 이를 위해 이온 전도성 고분자의 개발이 필수적이다. 첫째, 축합 중합을 통해 PEO 단위를 포함하는 이온 전도성 폴리이미드를 합성하여 수성 아연 이온 배터리의 음극 보호막으로 적용하였다. 폴리이미드 층은 에테르(-O-) 및 카르보닐(-C=O-)과 같은 극성 작용기를 포함하고 있어 고분자 내에서 아연 이온의 이동을 촉진하는 이온 경로를 제공한다. 폴리이미드의 이온 전도도와 화학 구조가 사이클 안정성과 성능에 영향을 미치는 것을 입증하였으며, 고성능 보호 코팅층을 만드는 데 필요한 설계 요소에 대해 논의하였다. 둘째, PVA-g-PAA(PgP) 주쇄에 방향족 디아민을 가교제로 도입하여 3차원 가교 네트워크를 합성하고 리튬 이온 배터리의 실리콘 음극 바인더로 적용하였다. 가교 시 분자 구조 내에 아마이드 결합이 형성되며 기계적 안정성 및 결합력이 우수한 3차원 가교 네트워크 바인더가 형성된다. 가교제의 기능성 그룹이 실리콘 입자와의 상호작용과 배터리 성능에 영향을 미친다는 것을 입증한다. 이러한 연구는 이차 전지를 위한 균형 잡힌 3차원 가교 네트워크 바인더의 설계에 대한 다각적인 접근 방식을 제시하며, 차세대 이차 전지에 적용 가능한 이온 전도성 고분자의 합성 및 특성화를 제안한다.

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.

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.