체적 매개변수법을 이용한 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터 자계 설계 연구

박정형 성균관대학교 일반대학원 2018 국내박사

본 논문에서는 체적 매개변수법을 이용하여 수중 전기추진체를 위한 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링의 맞춤형 자계 설계 연구를 수행하였다. 수중 전기추진체는 전동기에 의해 프로펠러를 구동시키며 에너지원을 가장 크게 소모하는 장치이므로 경량화 및 고효율화의 필요성이 요구된다. 또한, 립 씰, 메카니컬 씰 등을 이용한 회전부의 방수를 구현하고 있어 영구적인 사용이 불가능한 실정이며, 기름으로 수밀 구조를 구성한 경우에는 제작 방식은 간단하나 유지보수 비용이 높고 일정 시간 경과 후 기름을 바꾸어야하므로 환경오염의 단점이 있다. 반면, 비접촉식 구동방식의 자기 커플링을 사용할 경우에는 수밀 구조의 신뢰성을 높이고 유지보수 비용을 절감할 수 있지만 수중 전기추진체의 구조가 복잡해지고 조립이 어려운 문제가 있다. 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터의 전자기 특성 해석을 위해 전자장 이론 해석법을 사용하였으며, 초기 설계시 기기의 특성을 분석하는데 적용된다. 특히, 전자기 전달관계법은 해석영역의 경계면에서 자기벡터 포텐셜을 구하게 되며 2개 이상의 계자 시스템에 적용하면 편리하다. 각각 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링에 대하여 전자기 전달관계법에 의한 전자장 이론 해석을 체계적으로 정리하였고, 이를 이용하여 전자기 토크를 도출하였다. 일반적으로 전기기기의 회전자 체적은 회전자 체적당 토크법에 의해 결정되며, 이는 전기기기의 종류와 영구자석의 유무, 그리고 영구자석의 재질에 따라 그 값이 달라진다. 이 값이 정해지면 회전자의 외경과 적층 길이는 설계변수의 제약조건을 고려하여 결정되지만 사용자의 경험에 의존하므로 정확도가 떨어진다. 체적 매개변수법은 전자기 토크를 체적 행렬식의 형태로 변환하여 체적 분포를 제안하는 기법으로 전기기기의 초기 설계시 체적 선정에 정확도를 개선하였으며, 전자장 수치해석과의 성능 분석 비교를 통해 제안 기법의 정확도 개선 효과를 일반화하고자 하였다. 아울러 체적 설계 대상 모델인 2.5 kW급 수중 전기추진용 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링에 대하여 제안 기법을 적용하여 자계 설계를 수행하였으며, 체적 설계의 검증을 위해 고속 영구자석 전동기와 자기 커플링을 각각 제작하였다. 제작된 시제품에 대한 맞춤형 특성 평가 시스템을 구성하여 무부하 및 부하 특성을 시험하였고, 자계 설계 결과와 비교함으로써 제안된 기법이 가지는 자기 커플링 결합형 수중 전기추진모터의 체적 설계 유효성을 검증하였다. 마지막으로, 제작된 자기 커플링과 수중 전기추진모터를 사용한 수중 전기추진체의 조립을 통해 추력 성능평가 장치를 구성하여 수중 환경에서의 운전 특성 평가를 수행하였다. 수중 전기추진체의 수중 환경조건에서 추력 특성을 분석하여 자기 커플링 결합형 수중추진모터의 자계 설계에 적용한 시스템에 응용하였다.

차량 구동용 인휠 전동기의 실하우징 적용 구조 진동 특성을 고려한 최적 설계

서상혁 성균관대학교 일반대학원 2020 국내박사

본 논문에서는 전기 버스 구동용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 구조 진동 특성을 고려한 최적 설계를 수행하였다. 전기 버스의 경우 차량의 사이즈가 크고 탑승 인원이 많기 때문에, 구동용 전동기에서 발생하는 소음 및 진동 등의 기계적인 안정성이 매우 중요한 요소이다. 이러한 기계적 강건성을 확보할 수 있는 설계를 하기 위하여 소음 및 진동에 대한 저감할 수 있는 기술에 대한 연구를 수행하였다. 현재 국내 전기 버스 시장에 보급중인 현대 일렉시티 전기 버스(‘기존 모델’이라 명명)에 대하여 특정 고조파 차수에서 소음 및 진동이 높게 발생하는 현상이 있다. 기존 모델에서 발생하는 소음 및 진동 문제에 대하여, 전자계 해석을 통해 전자계 가진원에 대한 분석을 수행하고 기계계 해석을 통해 고유 진동수를 분석하고, 마지막으로 융합 해석을 통해 진동 특성에 대한 분석을 수행하였다. 우선 본 논문에서 전동기에서 발생하는 전자계 가진력(방사계, 전달계)에 대해 각각 분석하였다. 방사계 가진력이란 고정자에서 발생하는 전자기력을 의미하는데, 시간적인 전자기력과 공간적인 전자기력이 있다. 전달계 가진력이란 토크 맥동에 의해 생기는 힘의 변동이 회전자 축에 전달되어 발생하는 힘을 의미한다. 각각의 전자기력에 대해 발생하는 고조파 차수에 대해서 분석하였고, 이를 저감할 수 있는 방안에 대해 논의하였다. 다음은, 기계계 해석 시 고유 진동수 분석 기법에 대하여 연구하였다. 기존에 수행되었던 전동기의 고유 진동수 분석 기법을 보면, 대부분의 연구에서 고정자 단품 또는 질량이 동일한 간이 형상의 모델에 대해 고유 진동수를 분석하고 진동 해석을 수행하였다. 하지만 두가지 모델의 경우, 실하우징 형상의 모델과는 고유 진동수 수치가 달라지게 된다. 또한 고정자 단품 모델 또는 간이 형상 모델의 경우에는 모드 형상에 따른 진동수를 구분하기 쉽지만, 실하우징 형상의 모델의 경우 모드 형상을 구분하기가 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 수치해석을 기반으로 고유 진동수 해석을 수행하고, Eigenvalue 값을 추출하여 계산을 통해 각 고유 진동수에서의 대표값을 선정하고 해당 고유 진동수에서 진동에 대한 Amplitude 값을 계산하였다. 또한 시험 데이터와의 비교 분석을 통해 이를 검증하였다. 마지막으로, 소음 및 진동의 원인이 되는 전자계 가진력을 저감하여 개선 모델의 설계를 수행하였다. 개선 모델의 극 수와 슬롯 수를 제한 조건(인버터 입력 제한, 스위칭 주파수 등)을 고려하여 선정하였다. 이후 회전자 토폴로지를 선정하기 위하여 주요 운전점에 대하여 토폴로지별 가진력 분석과 주행 시간의 고려를 통해서 2층 매입형 VV 타입으로 선정하였다. 이후 최적화를 기반으로 상세설계를 수행하여 기존 모델 대비 전자계 가진력이 저감된 모델을 설계하였다. 전기 버스 구동용 IPMSM의 기존 모델과 개선 설계 모델 각각의 시작품에 대하여 무부하 시험과 부하 시 진동 가속도 측정 시험을 수행하였다. 각 모델의 무부하 성능 시험을 통해 전자계 성능을 검증하였고, 진동 가속도 시험을 통하여 해당 설계를 통해 기존 모델 대비 개선 설계 모델의 소음 및 진동 성능의 개선을 검증하였다. In this paper, optimal design considering structural vibration characteristics of the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for electric bus traction motor is performed. The mechanical stability of traction motor is crucial because the electric bus has large size and carries a lot of passengers. In order to design a mechanically stable traction motor, research about reduction technology to reduce noise and vibration characteristics is performed. There is a phenomenon that high noise and vibration occur in a certain order with respect to Hyundai Electic Electric Bus (named 'Original Model'), which is currently in service at the domestic electric bus market. As the noise and vibration problems are generated in the original model, the electromagnetic vibratory force was analyzed through the electromagnetic field analysis, and the natural frequency was analyzed by the mechanical system analysis, and lastly, the vibration characteristics were analyzed by the combined analysis. Firstly, in this paper, the electromagnetic excitation force (radial and transmission) generated in the motor was analyzed. Radial excitation force means an electromagnetic force which generated in the stator. And there are 2 kinds of radial force which is timely and spatial force. Transmission excitation force is the force generated by the change of the force caused by torque ripple transmitted to the rotor shaft. Calculations of harmonic order generated by each excitation force is analyzed and the reduction method is discussed. Next, the study on analyzing natural frequency in the mechanical analysis based on finite element method is performed. In the existing analysis technique of natural frequency research, most research analyzing natural frequency have conducted by single stator model or simplified model with same mass is used. However, in the case of the two models, the natural frequency value is different from that of the actual housing shape model. In addition, in the case of single stator model or simplified model, it is easy to distinguish the mode shape due to frequency but in actual housing shape model, it is not. Thus, in this paper, natural frequency is analyzed based on finite element method. Afterwards, representative eigenvalue and amplitude is selected at each natural frequency by performing post-processing calculation of eigenvalue. Also, this result is verified by the comparison with experimental data. Lastly, design of improved model is performed by reducing electromagnetic vibratory force which cause noise and vibration. The number of poles and slots of improved model are selected by the constraints (inverter input constraints, switching frequency, etc.). Afterwards, rotor topologies are selected with double layer VV type by comparison results on vibratory force of each topologies and operating time of main operating points. And finally, optimal design is performed and improved model which has reduced vibratory force is designed. Experiment for no-load condition and vibration acceleration of original model and improved model is performed. Electromagnetic performance is verified by no-load experimental results, and also the reduction of noise and vibration characteristics is verified by vibration acceleration results.

전자기력을 이용한 전기습윤 및 자성입자 운동 해석

성탄일 성균관대학교 일반대학원 2013 국내박사

본 논문에서는 전기-유체가 결합된 전기습윤현상에 대한 전자기적인 관점의 접근을 통해 전기습윤에서 전기력이 어떻게 작용하는지를 해석과 실험을 통해 보이고, 자기-유체가 결합된 미세자성입자의 채널내부 거동특성에 대하여 입자에 대한 동특성 해석과 실험을 통해 미세자성입자의 운동제어의 자동화 가능성을 확인하였다. 전기-유체 결합문제에서는 전기습윤현상에서 전자기력이 작용하는 원리를 알아본다. 먼저, 전기습윤의 기본 물리현상인 표면장력, 습윤, 접촉각 등에 대해 알아보고, 전기습윤에 관한 기존 이론 및 그 문제점의 분석을 통해 전자기적인 관점의 해석이 필요함을 보인다. 두 번째로, 전기-유체가 결합된 전기습윤현상을 전자기 체적력 밀도, 나비에-스토크 방정식, 표면장력이 결합된 정수력학적 평형방정식을 이용하여 정식화하고, 체적력에 의한 유체의 자유표면에서의 압력일정조건과 체적일정조건을 적용하여 액적의 형상변화를 수치해석 한다. 접촉각 이론을 적용했을 경우 같은 결과가 예상되는 경우에 대해 제안한 이론으로 해석하여 그 차이를 보이고, 해석과 같은 조건으로 실험을 진행한다. 최종적으로, 해석 결과와 실험 결과의 비교 및 분석을 통해 전기습윤에서 전기력이 액적의 형상에 어떻게 영향을 미치는지와 접촉각 포화의 원인을 고찰한다. 자기-유체 결합문제에서는 채널 유동 내에서 자기력에 의한 자성입자의 운동을 해석하고 해석 결과를 바탕으로 편리한 이송이 가능한 이동자계 발생장치를 개발 및 제작한다. 먼저 자기장과 유동장이 결합된 문제에서 자성 입자에 작용하는 주요 외력인 자기력, 항력, 중력, 부력을 도출하고, 각각의 힘의 합을 운동방정식에 적용하여 자성입자의 위치를 계산한다. 정자계를 이용한 자성입자 분리 시스템을 설계 및 수치해석 하고, 설계된 시스템을 제작하여 해석결과와 비교한다. 정자계를 이용한 자성입자 분리 시스템의 해석 및 실험 결과를 통해, 이동 자계 발생장치의 필요조건을 도출한다. 미세 자성입자의 이송을 위한 이동자계 발생장치의 설계안으로 이중권선형 모델과 솔레노이드형 모델 두 가지를 제안하고, 이 중에서 솔레노이드형 모델을 실제 제작하여 실험을 통해 결과를 분석한다. 미세자성입자도 이동자계를 통한 운동 제어가 가능함을 해석과 실험을 통해 보임으로써 그 활용가능성을 보인다.

전기자동차 무선 충전 시 전자파 인체 노출량 연구

현주영 한국기술교육대학교 IT융합과학경영산업대학원 2023 국내석사

최근 전 세계적으로 지구 온난화 문제는 대기 오염 물질로 인해 심각한 상황에 직면하고 있으며 이를 해결하기 위해 내연기관 자동차에서 전기자 동차로의 전환이 진행 중이다. 또한, 전기자동차의 이용이 점차 증가함에 따라 더욱 편리하고 안전한 기술의 요구에 의해 전기자동차 무선 충전이 상용화를 앞두고 있는 상황이다. 국내∙외 무선 충전 연구기관에서 상용 화를 위한 시스템 최적화 및 표준화 연구를 수행 중이며, 국내에서는 현 대자동차에서 무선 충전 시범 운영을 시작으로 무선 충전 전기자동차 상 용화를 앞당길 것으로 예상한다. 하지만 전기자동차 무선 충전 시 사용되 는 고주파 대역의 자기장은 충전용량이 클수록 충전 과정에서 자기장에 따른 인체 영향의 우려가 제기되고 있다. 특히, 기존 전기자동차 평가 방 법이 유전 전기자동차 평가 방법을 기반으로 하여 무선 충전 시 다양한 인체 영향 환경을 고려하지 않아 구체적인 무선 충전용 인체 노출량 평가 방법이 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전기자동차 무선 충전 시 기본적인 전자파 측정 방법에 대한 검증을 기반으로 인체에 영향을 줄 수 있는 환경에 따른 자기장 세기 분석 결과를 제시한다. 본 연구를 통해 다음과 같은 사실들을 확인하였다. 첫 번째로는 일반적 인 AC 시스템에서 발생하는 고주파 측정 방법인 3-point 방법에 대한 무 선 충전 자동차에 적용 가능성 검토를 하였다. 두 번째로는 자동차가 정 렬 상태에서의 자기장 세기를 기반으로 주차 시 오정렬이 발생하는 경우 거리별 자기장 세기 변화를 분석하였다. 세 번째로는 차량이 무선 충전 중 인접 차량이 존재하는 경우 인접 차량이 존재하지 않을 때와 비교하여 차량의 측면에서 약 16%가량 자기장 세기 감소를 확인하였다. 이는 무선 충전 중인 공진기에서 발생하는 누설 자기장이 금속 재질의 외부 차량 표 면에 반사되어 위상 상쇄 현상에 의한 것으로 판단된다. 네 번째로는 두 대의 전기자동차가 동시에 무선 충전을 하는 경우, 송신 전력의 위상에 따른 기준 전기자동차의 전자파 영향을 분석하였다. 즉, 두 송신 전력의 위상차에 따라 차량에서 발생하는 누설 자기장의 세기 변화를 분석하였 다. 본 논문의 결과는 향후 전기자동차 무선 충전 기술의 상용화 시 전자파 인체 영향을 평가하는 방법에 기초 연구로 활용함으로써 보다 안전하고 편리한 전기자동차 무선 충전 기술의 상용화에 기여할 것으로 기대된다. In recent years, global warming has been facing severe phases due to air pollutants, and the transition from internal combustion engine vehicles to electric vehicles is underway to address these concerns. As the use of electric vehicles continues to increase, wireless charging is coming to commercial use due to the need for more convenient and secure technology. Domestic and overseas research institutes are researching wireless charging for commercial use, including system optimization and standardization. In Korea, Hyundai Motor Company expects to accelerate the commercialization of wireless charging of electric vehicles starting with the pilot operation. However, the magnetic field in the high-frequency range used for wireless charging of electric vehicles is generated during the charging process, and the larger the charging capacity, the more concerns are raised about its impact on the human body. In particular, since the existing method of evaluating electric vehicles is based on the method for wire-charged electric vehicles, it did not take into account various environments that could affect human bodies when charging wirelessly. So, a specific method of assessing human exposure to wireless charging is necessary. Therefore, this study presents the results of an analysis of the magnetic field strength in the environment that may affect the human body based on the verification of basic electromagnetic measurement methods for wireless charging of electric vehicles. This study confirms that: first, it examined the applicability of the 3-point measurement method, a high-frequency measurement method generated from general AC systems, to wireless charging vehicles. Second, based on the magnetic field strength when the car is lined at the right place, it analyzed the change in magnetic field strength according to the distance when the car is poorly lined when parked. Third, it found that when a vehicle is wirelessly charging, and neighboring vehicles are present, the magnetic field strength decreases by about 16% on the sides of the vehicle compared to when no neighboring vehicle is present. It is thought to be due to the phase cancellation of the leakage magnetic field from the resonator during wireless charging, which is reflected on the surface of the metallic exterior of the vehicle. Fourth, when two electric vehicles are charged wirelessly at the same time, the electromagnetic influence of the reference electric car was analyzed according to the phase of the transmission power. In other words, the change in the leakage magnetic field strength generated by the vehicle was analyzed according to the phase difference between the two transmitted power, The results of this study are expected to contribute to the commercialization of safer and more convenient electric vehicles with wireless charging technology by serving as basic research for methods to evaluate the effects of electromagnetic waves on the human body when wireless charging technology is commercialized in the future.

주행거리 연장형 전기버스용 IPMSG 최적 설계 및 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석

손병관 성균관대학교 일반대학원 2019 국내박사

본 논문에서는 주행거리 연장형 전기버스의 국산화 개발을 위한 IPMSG 최적 설계 및 성능 분석을 수행하였다. 전기버스 탑재 공간으로 인해 제한된 사이즈 내에서도 IPMSG가 높은 수준의 효율을 유지하고, 장시간 발전 후에도 열적 강건성을 보장하도록 설계하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다. 우선, 제한된 사이즈 내에서 IPMSG의 효율 특성을 최대화하기 위해 효율 최적 설계에 관한 연구를 수행하고, 최적 설계를 위한 지능형 최적화 알고리즘을 개발하였다. 개발 알고리즘은 목적함수 계산 비용이 큰 IPMSG 설계 문제의 특수성에 중점을 두어, 기계학습의 데이터 분류 기법인 커널 서포트 벡터 머신 적용을 통해 기존 GA, PSO의 단점을 보완하고 개선하였다. 개발 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 시험 함수를 이용하여 기존 알고리즘 대비 성능이 개선되었음을 확인하였으며, 성능이 가장 우수한 APSO-K 알고리즘을 효율 최적 설계를 위한 최적화 알고리즘으로 선정하였다. 다음으로, 설계 단계에서 IPMSG의 성능 예측 정확성을 향상시키고 열적 강건성을 검토하기 위해 전자계/열계 결합 수치해석 기반 성능 분석 기법을 연구하였다. 이전의 연구를 기반으로 인버터 PWM 고조파를 고려한 전자계 손실 예측 모델을 구현하였으며, 전산 유체역학에 기반한 복합 열전달 해석과 전기기기 열 해석 모델링 기법 등을 연구하여 전자계 손실을 열원으로 인가한 온도 해석 모델을 구현하였다. 이를 통해 파트별 최종 포화 온도를 예측하고 열적 강건성을 검토할 수 있도록 하였으며, 구현한 해석 모델들은 기존 시험 결과와 비교를 통해 정합성을 검증하였다. 마지막으로, APSO-K 알고리즘을 적용하여 RE-EB용 연속 정격 60kW급 IPMSG 효율 최적 설계를 수행하였다. 또한, 설계된 IPMSG 최적 모델에 대해 전자계/열계 결합 수치해석을 통해 전자계 성능을 분석하고 파트별 포화 온도를 고려한 열적 강건성을 검토하였다. 설계된 IPMSG의 성능을 확인하고 제안한 기법들의 유효성을 검증하기 위해 시험용 IPMSG를 제작하였으며, 다양한 시험을 통해 IPMSG의 성능 및 해석 정합성을 확인하였다.

Controllable chemical doping of low-dimensional material-based devices using selective inkjet printing

Inho Jeong 고려대학교 대학원 2023 국내박사

The emergence of low-dimensional semiconductor materials enables a wider range of applications beyond the existing 3D bulk material-based electronic devices. 2D semiconductor materials have been suggested as a solution to suppress the short-channel effect caused by the scaling down of existing electronic devices. In particular, TMDs have the advantages of including a high surface-to-volume ratio, mechanical/chemical stability, excellent electrical properties, and no dangling bonds. Many studies have been conducted to implement a 2D field effect transistor (FET) using a 2D semiconductor material having advantages. In addition, since the 1D-based carbon nanotube has high electrical characteristics, ambipolar electrical characteristics, and high thermoelectric characteristics, it is possible to realize a thermoelectric generator by implementing a PN pair through chemical doping. 1D-based CNTs can be synthesized with yarn to produce a 3D structure, which has the advantage of increasing thermoelectric performance. CNTY-based thermoelectric devices have superior thermoelectric characteristics than organic-based flexible thermoelectric devices, the realization of PN pairs through solution processes, and advantages that can be applied to heat sources with arbitrary curvatures. Through this, there is also an advantage that can be implemented in various fields beyond the limited use of inorganic thermoelectric generators with rigid substrates. To realize an electronic circuit device with low-dimensional semiconductor materials, it is essential to control semiconductor properties by doping. Chemical doping has the advantage of being able to change the polarity of semiconductor materials to n-type and p-type, as well as improve electrical characteristics. In the case of classical 3D bulk Si-based FETs, ion-implantation doping was mainly used. However, it acts as a defect in low-dimensional semiconductor materials. In addition, there is a limiting issue that a high-temperature/vacuum system necessarily be applied, so another method is proposed to perform the chemical doping on a low-dimensional material. Among chemical doping strategies, surface charge transfer doping is a method of enabling doping on the surface of a semiconductor material in a manner in which carriers are transferred by being adsorbed by physical contact on the surface of the material. In the classical Si FET, surface charge transfer doping is performed only on the surface of the semiconductor channel, resulting in a doping effect with weak electrical characteristic control. On the other hand, it has been proposed as an efficient doping method for low-dimensional materials with a high surface-to-volume ratio. In addition, it has the advantage of manufacturing flexible substrate-based electronic devices through a solution process, controlling and improving electrical properties by realizing a high doping effect on low-dimensional semiconductor materials, and not affecting the lattice structure of low-dimensional semiconductors due to physical contact of adsorption of dopants. Since chemical doping is performed in the immersion/evaporation method, the electrical characteristics of the low-dimensional material-based electronic device can be controlled only by increasing the dopants concentration or increasing the immersion time. However, this method clearly has limitations in that it is difficult to implement precise electrical property control of low-dimensional electronic devices, and that introduction of a mask and additional processing efforts are required to conduct of chemical doping only a selected device. In this dissertation, I introduce a study on selective areal chemical doping of low-dimensional materials-based devices using by combining drop-on-demand (DoD) inkjet printing technology and the charge transfer doping method. Inkjet printing has advantages such as solution processing, a high degree of design freedom, mask-free processing, and freedom from high-temperature/vacuum systems. A reliable inkjet printing system with stable ejected ink droplets can be conducted by inkjettability window by controlling the fluid characteristics of ink and nozzle size. By controlling the positive pulse according to the ejection time of the mechanical pulse and the negative pulse to reduce the remaining satellite ink droplets, a stable ink droplet was obtained by inkjet printing. I suggested a study of controlling the electrical properties by using chemical doping to selective electronic devices and fabricating an array of 2D FETs by introducing inkjet printing. Among 2D semiconductor materials, MoS2 has the advantages of air stability, large-area film capability by chemical vapor deposition (CVD), no dangling bond, and a high surface-to-volume ratio. A large-area array was fabricated by printing source/drain electrodes on large-area MoS2 by inkjet printing, and inkjet printing-based selective chemical doping was performed. Benzyl viologen (BV), which has air stability and can degenerate n-type doping of most 2D materials, is used as a promising dopant material. To perform the stable ink droplet with BV dopants, a doping ink was prepared by mixing two different solvents. For demonstration of selective doping effects on MoS2, various analysis methods were introduced to verify their properties of selectively BV-doped MoS2 by inkjet printing. The PL intensity decline and photon energy decrease of the doped MoS2 region, the redshift of the A1g vibration mode by Raman spectroscopy, the N elemental verification of BV molecules through XPS, and the blueshift of Mo and S elements verified that the printed region was n-type doped. The electrical characteristics of the MoS2 FET by doping were freely controlled by introducing two variables, the dopant concentration and the doping area of the doping ink capable of inkjet printing. This inkjet printing-based doping method can modulate the electrical characteristics of 2D FETs, which were difficult to implement with classical charge transfer doping by immersion/vaporization method. It is also proposed that 2D semiconductor materials can be selectively doped without additional processing. Second, a new diffusion doping was proposed as a method of suppressing the impurity scattering effect caused by ionized dopants after surface charge transfer doping used in 2D semiconductors-based devices. This fabrication of diffusion doping is; First, BV is deposited in the source/drain (electrode) area by inkjet printing, and an electrode is deposited thereon (junction structure: electrode/BV layer/MoS2). Then, MoS2 becomes degenerate doping by the dopant BV. Donated numerous electrons in doped MoS2 diffuse and migrated toward from contact area to the channel due to the carrier concentration difference, and ionized BV molecules exist only between the source/drain electrode and the MoS2 interface. Therefore, since the MoS2 channel region has no ionized dopants that cause an impurity scattering effect, it can carry about an intrinsic chemical doping effect that is out of the scattering effect. To demonstrate diffusion doping, I conducted various analyses of potential mapping of Ag-MoS2 and BV-MoS2 using EFM, electrical characteristics of diffusion-doped MoS2 FET, contact resistance extraction through TLM analysis, and blueshift of the binding energy of Mo, S elements using by XPS. It was verified that the MoS2 channel was diffused doped. In addition, a comparative analysis of the mobility of the classical charge transfer doping and the diffusion-doped MoS2 FET was performed using a low-temperature measurement, and the high mobility of diffusion-doped MoS2 FET was realized by suppressing the scattering effect. Through these results, I proposed a diffusion-doped 2D FET with high electrical characteristics without the scattering effect. Finally, a flexible thermoelectric device structure was proposed by introducing chemical doping in selective regions based on inkjet printing on CNTY having a 1D-based 3D structure. CNTY is superior to the thermoelectric performance of organic materials, which are existing flexible thermoelectric element materials, and has the advantage of having a power factor compared to inorganic thermoelectric materials. CNTY is superior to the thermoelectric performance of organic materials, which are existing flexible thermoelectric element materials, and has the advantage of having a power factor compared to inorganic thermoelectric materials. Additionally, a PN module can be manufactured without the limitations of a substrate by chemical doping based on a solution process. The manual brush-based doping method, which does not demand an additional mask, can implement a PN module without restrictions on the substrate, but there is a problem of thermoelectric performance degradation due to the capillary rise effect. To solve the capillary rise issue, inkjet printing-based chemical doping with a pL scale was proposed instead of the brush-based doping method that doped with a μL volume. Inkjet printing-based doping can perform selective chemical doping on CNTY, also it is free from the capillary rise effect caused by doping because it is immediately evaporated with a pL volume of doping ink. To form a reliable and stable doping ink droplet by inkjet printing, the high thermoelectric performance of the CNTY thermoelectric device was achieved that the verification of various solvent candidates and the optimization of the doping concentration and doping volume that can produce the optimal doping effect of CNTY. The fabricated CNT thermoelectric device realized performance compared to the existing inorganic thermoelectric device, and it was shown that it can be applied to heat sources of various structures through the bending test for the flexible thermoelectric device. It was shown that the CNTY flexible thermoelectric device fabricated by inkjet printing-based chemical doping flees from the capillary rise effect and suggests high thermoelectric performance. 저차원 반도체 물질의 등장으로 기존의 3D bulk 물질 기반의 전자소자에서 더 넓은 분야의 확장 가능하게 해준다. 2D 반도체 물질은 기존의 전자소자의 scaling down이 일어나면서 발생한 short channel effect를 억제할 해결방안으로 제안되었다. 특히 TMDs는 높은 surface-to-volume ratio를 갖는 특성, 기계적/화학적 안정성, 뛰어난 전기적 특성, 그리고 dangling bond가 없다는 장점으로 2D 전계효과트랜지스터 (FET)를 구현하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 또한, 1D 기반의 carbon nanotube는 높은 전기적 특성을 갖고 ambipolar 전기적 특성과 높은 열전특성을 갖고 있기 때문에, 화학적 도핑을 통해 PN pair 구현으로 열전소자를 구현할 수 있다. 추가로 1D기반의 CNT를 Yarn으로 합성하여 3D구조로 제작할 수 있어 열전성능을 높일 수 있다는 장점이 있다. CNTY기반 열전소자는 유연 열전소자로 사용된 유기물에 비해 우수한 열전특성, 용액공정을 통한 PN pair 구현, 그리고 3D구조로 제한적이었던 기판사용에서 벗어나 임의의 곡률을 지닌 열원에 적용 가능한 장점들이 존재한다. 이를 통해서 rigid 특성이 있는 무기 열전소자의 제한적인 사용처에서 벗어나 다양한 분야에 적용할 수 있는 장점 또한 존재한다. 이러한 저차원 반도체 물질을 이용해 응용소자로 구현하기 위해서는 도핑을 통해 반도체 물성특성 제어가 필수적이다. 화학적 도핑은 반도체 물질의 극성을 n형, p형으로 타입을 바꿀 수 있을 뿐만 아니라, 전기적 특성도 향상시킬 수 있다는 강점을 갖는다. 기존 3D bulk Si 기반의 FET의 경우엔 치환 도핑이 주로 사용되었지만, 저차원 물질에서는 결함으로 작용한다. 또한, 고온/진공 시스템이 필수적으로 적용돼야 하는 제한적인 이슈가 존재하여 저차원물질에 도핑을 수행하기 위해서는 다른 방법이 제안되어야 한다. 화학적 도핑 중 표면전하이동도핑은 물질 표면에 물리적 힘으로 흡착되어 캐리어를 전달해 주는 방식으로 반도체 물질 표면 근방에 도핑을 가능하게 해주는 방법이다. 기존Si FET의 경우엔 반도체 채널 표면에만 도핑이 수행되어 약한 전기적특성 제어를 갖는 도핑효과를 가져오지만, 높은 surface-to-volume ratio를 갖는 저차원 물질에 효율적인 도핑방법으로 제안되었다. 또한 용액공정으로 유연기판 기반의 전자소자 제작 가능, 저차원물질에 높은 도핑효과를 구현하여 전기적 특성 제어 및 전기적 특성 향상, 그리고 도펀트들의 표면흡착으로 저차원반도체 물질구조에 영향을 주지 않는다는 장점을 갖는다. 담금/증발 방식으로 화학적도핑이 수행되기 때문에, 도펀트의 농도를 증가시키거나 담금 시간의 증가를 통해서만이 저차원물질기반 전자소자의 전기적 특성을 제어할 수 있다. 하지만 이러한 방법은 정밀한 저차원기반 전자소자의 전기적 특성 제어를 구현하기 어려울 뿐만 아니라 원하는 부분만 도핑하기 위해서는 마스크 도입 및 추가적인 공정과정이 필요하다는 한계가 분명히 존재한다. 이 논문에서는 잉크젯프린팅 기술과 전하이동도핑의 방법을 접목하여 저차원 물질에 선택적 영역 도핑에 관한 연구를 소개하고자 한다. 잉크젯프린팅은 용액공정이 가능, 높은 디자인 자유도, 마스크 없이 가능한 공정, 그리고 고온/진공 시스템에서 벗어날 수 있다는 장점이 존재한다. 잉크의 유체특성 및 노즐사이즈 제어로 최적화된 inkjettability window 도입과 기계적 펄스의 토출시간에 따른 양의 펄스와 잔여 위성잉크를 줄이는 음의 펄스를 조절함으로 안정적인 토출된 잉크방울을 구현해 신뢰성 있는 잉크젯프린팅 시스템을 사용할 수 있다. 잉크젯프린팅을 도입하여 2D FET의 array 제작과 특정 소자에 화학적도핑을 적용하여 전기적 특성을 제어하는 연구를 수행했다. 2D 반도체 물질 중 MoS2는 대기안정성, 화학기상증착법 (CVD)로 대면적 필름 가능, dangling bond 부재, 그리고 높은 surface-to-volume ratio를 갖는 장점이 있다. 대면적 기반 MoS2에 잉크젯프린팅으로 소스/드레인에 해당하는 전극을 프린팅하여 대면적 어레이를 제작하였고, 여기에 잉크젯프린팅 기반 선택적 화학적도핑을 수행했다. 대기안정성을 갖고 2D 물질 대부분을 degenerate n형 도핑할 수 있는 benzyl viologen(BV)는 유망한 도펀트 물질로 사용된다. BV도펀트를 이용하여, 신뢰성있는 잉크젯프린팅이 가능한 도핑잉크를 구현하기 위해서 2가지 솔벤트를 섞어 도핑잉크를 제작했다. 또한 잉크젯프린팅으로 도핑한 MoS2 특성을 검증하기 위해서 여러가지 분석법을 도입했다. 도핑된 MoS2영역의 PL 강도 약화 및 photon energy감소, 라만분광법으로 A1g 픽의 redshift, XPS를 통해서 BV의 원소검증, Mo와 S픽의 blueshift를 통해서 프린팅된 영역에 n형 도핑이 되었음을 검증하였다. 잉크젯프린팅 가능한 도핑잉크의 도펀트농도와 도핑영역의 두가지 변수를 도입하여 도핑에 의한 MoS2 FET의 전기적특성을 자유롭게 제어하였다. 이러한 잉크젯프린팅 기반 도핑방식은 기존의 도핑으로는 구현하기 어려웠던 2D FET의 전기적특성을 조율할 수 있고, 또한 추가적인 공정 없이 선택적으로 2D 반도체 물질에 도핑할 수 있음을 제안했다. 두 번째로, 2D반도체에 사용된 표면전하이동도핑후 이온화된 도펀트에 의해 발생하는 impurity scattering 효과를 줄이는 방법으로 새로운 확산 도핑을 제안했다. 이 확산 도핑은 다음과 같다; 먼저 소스/드레인(전극) 영역에 BV를 잉크젯프린팅으로 증착하고 그 위에 전극을 증착한다 (접합구조: 전극/BV층/MoS2). 그러면 도펀트인 BV에 의해 MoS2는 degenerate doping이 된다. 도핑 된 MoS2에 있는 수많은 전자들은 캐리어 농도차이에 의해서 채널 쪽으로 확산이동하고, 이온화된 BV들은 소스/드레인 전극과 MoS2 계면 사이에만 존재한다. 따라서 MoS2 채널영역은 impurity scattering 효과를 발생시키는 이온화된 도펀트들이 없기 때문에 scattering 효과에서 벗어난 도핑효과를 가져올 수 있다. 확산 도핑임을 증명하기 위해서 EFM을 이용한 Ag-MoS2와 BV-MoS2의 포텐셜 매핑 분석, 확산도핑된 MoS2 FET의 전기적 특성 분석, TLM분석을 통한 접촉저항 추출, XPS를 도입한 Mo, S픽의 energy 분석 등을 통해 MoS2 채널에 확산도핑이 되었음을 검증하였다. 추가로, 저온실험을 이용해 기존 전하이동도핑과 확산도핑된 MoS2 FET의 모빌리티 비교분석을 수행하였고 기존 scattering 효과에서 벗어나 높은 모빌리티를 구현하였다. 이러한 결과를 통해서 확산도핑으로 scattering 효과에서 벗어난 높은 전기적 특성을 갖는 도핑된 2D FET를 제안하였다. 마지막으로, 1D기반 3D 구조를 갖는 CNTY에 선택적인 영역에 화학적 도핑을 도입하여 유연 열전소자 구조를 제안했다. CNTY은 기존의 유연 열전소자 재료인 유기소재 열전성능보다 뛰어나고 무기 열전소재에 비하는 power factor를 갖는 장점이 있다. 또한, 용액공정기반의 화학적도핑으로 기판의 제약 없이 PN모듈을 제작할 수 있다. 기존의 마스크가 필요한 공정에서 벗어난 매뉴얼 붓기반 도핑방식은 기판의 제약없이 PN모듈을 구현할 수 있지만, 캐필러리 라이즈효과로 열전소자의 성능저하이슈가 존재한다. 캐필러리 라이즈 이슈를 해결하기 위해, 기존 붓기반도핑방식이 μL 부피를 갖고 도핑 시키는 방식에서 벗어나 pL 스케일을 갖는 잉크젯프린팅기반 화학적 도핑을 제안했다. 잉크젯프린팅기반 도핑으로 선택적인 영역에 도핑을 수행할 수 있고, pL의 도핑잉크 부피로 즉시 증발되기 때문에 캐필러리 라이즈효과를 없앨 수 있다. 신뢰성있는 안정적인 도핑잉크 방울을 형성하기 위해서 다양한 솔벤트 후보군 검증과, 최적의 도핑효과를 낼 수 있는 도핑농도와 도핑부피 선정을 통해서 CNTY 열전소자의 성능 최적화를 이끌어냈다. 제작한 CNT 열전모듈은 기존 무기열전에 비하는 성능까지 구현하였고 또한 유연열전소자의 bending 테스트를 통해서 다양한 열원에 적용 가능함을 보여주었다. 이러한 잉크젯프린팅기반 화학적도핑으로 제작한 CNTY 유연열전소자는 캐필러리 라이즈 효과에서 벗어날 수 있음과 높은 열전성능을 제안할 수 있음을 보여주었다.

AM송신국 전자파강도 측정방법 연구

박종열 서울시립대학교 2010 국내석사

보편적인 정보와 문화의 전달 수단인 AM송신국은 낮은 언덕 및 평야지대에 위치하여 고출력으로 수 천 킬로미터까지 전파를 송신하고 있으나, 도심의 팽창 및 신도시의 개발 등으로 인하여 송신국 주변에 아파트 및 주택들이 들어서면서 전자파와 관련된 민원의 주요 요인으로 인식되고 있으며, 전자파 노출로 인한 국민의 막연한 불안감 해소와 안전한 전파이용 환경 마련을 위한 전자파강도의 정확한 측정방법 필요성이 요구되고 있다. 또한 전파법 제47조의2(전자파인체보호기준 등)제1항에 전자파가 인체에 미치는 영향을 고려하여 전자파 인체보호기준 및 측정대상 기기와 측정방법 등에 관하여 고시할 것을 명시하고 있다. 그러나, 본 연구에서는 전자파 인체보호기준의 관점 보다는 AM송신소의 정확한 전자파 측정방법을 제시하고자 한다. 따라서 본 장에서는 전자파 인체보호기준에 대한 세부적인 측정방법과 절차를 규정한 전자파강도 측정기준의 개정을 위하여 국내 AM송신국 96개국 중 송신국 유형별로 출력을 기준으로 대, 중, 소로 구분하고 지형에 따라 도심, 평야, 산악지형으로 구분하였고 안테나 종류에 따라 삼각지선식, 사각지선식, 사각자립식으로 구분하였고 전파의 편파면에 따라 수평편파, 수직편파, 원형편파로 구분하여 37개 AM송신국을 측정하였으며, 측정 자료를 토대로 각 유형별로 분석하여 전자파강도 측정방법을 제시하였다. 첫 번째로 AM송신국에 대한 전자파강도 측정 시 측정 간격에 대하여 현재의 파장기준 보다는 측정시작지점에서 파장 간격으로 측정하고 최대값이 측정된 지점에서 10 m를 1 m 간격으로 측정하는 것을 제시하였다. 두 번째로 일반인의 출입을 통제하기 위한 안전시설로부터 측정 이격거리를 두어 측정할 것을 제시하였다. 본 논문은 AM송신국에 대한 전자파강도 측정방법을 제시하여 보다 정확하고 신뢰성 있는 측정결과를 제시하고 전자파강도 측정기준의 개정을 위한 기초자료로 활용될 수 있음을 제안하였다. In this paper, when the AM radio station's electromagnetic AM radio station measurements more precise and accurate measurement method is proposed. AM radio station, the type(polarization, geographical, power, antenna, etc.) as classified by analyzing the data measure the strength of electromagnetic waves is proposed. The first proposal of the AM radio station for measuring strength of electromagnetic waves instead of measuring the interval from the starting point for measuring the wavelength interval are measured. And the measured electric field strength at the point of maximum 1m intervals to measure is to measure 10m. The second, Measurement of the fence zone to prevent entrance of public for safety measure distanced a certain distance. I hope this paper is used basic datum for the revised regulation of strength of electromagnetic measuring methods for AM radio station.

Electrical characterization of advanced field-effect transistors: Junctionless transistors, carbon nanotubes, and tin dioxide nanowires

Joo, Min Kyu 고려대학교 대학원 2014 국내박사

본 논문에서는 차세대 전기 소자로 대두되고 있는 저차원 전계 효과 소자로써, Top-down 공정 방식에 의한 실리콘 Junctionless 트랜지스터와 Bottom-up 공정 방식에 의한 1차원 SnO2 나노선 및 2차원 탄소나노튜브 랜덤 네트워크 (CNT-RN) 트랜지스터에서의 전기적 특성을 세밀히 분석하였다. 실리콘 Junctionless 트랜지스터에서는 온도 변화에 따른 (77K~350K) 전자 이동도의 특성을 동작 영역별로 구분하여 분석하였다. 투명하고 유연한 미래 전자 소자 구현을 위해 각광받는 1차원 기반의 대표적 물질인 금속 산화물 나노선과 탄소나노튜브의 정밀한 특성 분석을 위해, 1차원 SnO2 나노선 소자에서 접촉 저항이 전하 이동도 및 저주파 잡음 특성에 미치는 영향을 살펴보았고 2차원 CNT-RN 소자에서 percolation 현상이 유효 정전 용량에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치 전산모사 방법이 이용되었다. Junctionless 트랜지스터는 기존의 일반적인 전자 소자 거동 메커니즘과 달리 완전 공핍 모드, 부분 공핍 모드, 표면 축적 모드로 나뉘며 특히 주된 동작 영역인 체적 전류 부분과 표면 축적 모드의 기준점인 평탄 밴드 전압의 분석 및 정의는 소자 특성 평가에서 매우 중요하다. 따라서 Junctionless 트랜지스터의 성능 평가에 필수적인 문턱 전압, 평탄 밴드 전압, 유효 채널 크기 및 도핑 레벨 등의 수치를 먼저 상온에서의 정전압 특성을 통해 도출한 후 저온에서의 특성 분석을 진행했다. 이 소자에서의 전자 산란 메커니즘을 알아보기 위해, 전하 해석 모델을 기반으로 추출된 채널 길이 100nm 이하의 평면 및 나노선 형태의 Junctionless 트랜지스터에서의 체적 전자 이동도, 저전계 표면 축적 전자 이동도, 문턱 전압, 평탄 밴드 전압의 저온 특성 (77K-350K)을 동작 영역별로 분석하였다. 기존 특성 평가들과는 다르게, 평탄 밴드 전압의 실험적 도출을 위해 소자의 상/하부 기판 커플링 영향이 저온에서 고려되었다. 이를 기반으로 전자의 이동이 포논 산란 영향과 온도 의존성이 없는 중립 결점에 의한 산란에 대해 주로 영향을 받으며 체적 전자 이동도, 저전계 표면 축적 전자 이동도를 결정하게 되는 것으로 보여졌다. 이는 접촉 저항을 줄이기 위해 추가적으로 진행된 S/D 이온 주입 공정에 의해 생성된 결함에 의한 것으로 사료된다. 기존 상용 제품에서 널리 사용되고 있는 실리콘 기반의 소자 제작에 있어서 소형화 공정 기술의 한계를 극복하기 위해 새로운 나노 구조들이 제안되어 왔다. 특히 1차원 미래 투명/유연 소자로써 SnO2 나노선을 포함한 산화금속 나노선에 대한 연구 또한 지속되어 왔으나 저차원 소자에서의 전기적 특성 안정화 기술이 기존 실리콘 기반 기술 대비 아직 취약한 것은 사실이다. 이를 극복하기 위해 S/D 이온 주입 및 표면 절연 물질 코팅 공정 등이 시도되고 있지만 이러한 공정 변수들이 1차원 SnO2 나노선 소자에 미치는 영향에 대한 정밀한 분석이 미흡하였다. 따라서, 고분자 메타크릴산메틸 (PMMA)이 코팅된 1차원 SnO2 나노선 전계 소자를 제작했고, 소자의 정밀한 전기적 특성 분석에 필수불가결한 1차원 유효 정전용량을 도출하기 위해 수치 전산모사를 수행하였다. 도출된 정전용량의 게이트 반응 특성으로부터 여러 가지 전자 이동도 (저준위 전자 이동도, 유효 전자 이동도, 전계 전자 이동도)의 거동을 반도체 채널-금속간의 접촉 저항을 고려하여 분석하였다. 저차원 나노 구제에서 우세한 영향력을 갖는 접촉 저항은 전자 이동도 거동뿐 아니라 저주파 잡음 특성에도 영향을 주는 것이 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 접촉 저항의 영향을 배제하기 위해 YFM (Y-function method) 방법을 이용하였고, 표면 트랩 농도 유추를 위해서는 접촉 저항 영향이 고려된 CNF (carrier number fluctuation) 저주파 잡음 모델을 적용하였다. 이러한 접촉 저항 평가 방법은 저차원 나노 구조 전계 소자에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 2차원 CNT-RN 전계 소자에서는 정전압 및 저주파 잡음 특성 연구를 진행하였다. 2차원 평면 정전용량 수치 해석 모델과 함께 YFM 방법을 이용하여 정전압 전기 특성을 분석하였는데, 사용된 전자 소자의 불확실한 채널 상태를 고려해볼 때, 고립된 탄소 나노 튜브 및 기생 정전용량의 영향을 배제한 유효 2차원 정전용량 도출의 필요성이 대두되었다. 따라서, 직접 실험을 통해 얻어진 유효한 정전용량 특성을 기반으로 percolation 현상이 2차원 네트워크 전자 소자의 유효 정전용량에 미치는 영향을 밝히기 위한 수치 전산모사를 시행하게 되었다. 수집된 실험 데이터를 근거로, 1차원 정전용량 수치 해석 모델을 2차원 네트워크 소자 분석에 도입하였고 이를 통해 모든 실험 결과에 대해 일관성 있는 결론을 도출했다. 또한 2차원 CNT-RN 소자에서 측정된 저주파 잡음 결과는 기존에 발표된 저주파 잡음 특성 경향과는 다른 CMF (carrier number fluctuation correlated mobility fluctuation) 저주파 잡음 모델로 설명되었고 산화 알루미늄 절연막의 표면 트랩 농도 또한 유추할 수 있었다. 마지막으로 저차원 물질을 이용한 소자의 소형화에 있어서 늘 이슈가 되고 있는 열특성에 대한 분석의 일환으로 정밀하게 분리된 금속성 및 반도체성 2차원 단층 탄소 나노 튜브 박막을 이용한 열전 특성을 분석하며 접촉점에 대한 세밀한 고려가 필요함을 시사하였다. 네트워크 소자를 제작함에 있어서 반도체성 탄소 나노 튜브의 비율이 금속성에 대해 증가함에 따라 Seebeck 계수가 준선형적으로 증가하는 것이 보여졌으며 이에 대한 물리적 분석 방법으로 탄소 나노 튜브간의 접촉점에 대한 고려가 제안되었다. 분석 결과에 따라, 탄소 나노 튜브간의 접촉점이 Seebeck 계수 결정에 주요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌으며, 이러한 분석 방법은 다른 1차원 나노 물질로 구성된 percolation 채널 및 전도성 이종 복합체에도 널리 적용될 수 있을 것으로 사료된다. Low-dimensional nanostructure materials such as carbon nanotubes (CNTs), metal-oxide nanowires, graphene, and molybdenum disulfide (MoS2) have been intensively investi-gated as a next electronic candidate to replace complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices owing to their high on and off current ratio, field-effect mobility, and electri-cal conductivity. Two representative approaches have been used, namely, top-down and bottom-up technologies. The former method has been generally used in a commercial company for sili-con based mass production since it is extremely well controlled by costly lithography instru-ments. While the latter one is cost-effective but much difficult to modulate their physi-cal/chemical properties owing to their large sample-to-sample variations. Recently, a hybrid bottom-up/top-down technology with crossbar/CMOS structures for nano-scale memory and three-dimensional (3D) multifunctional nano-electronics were introduced as well, since it pro-vides advantages of ultra high bit scale-density and array-based circuit level integration. To be realized aforementioned concepts for practical applications, a proper device characterization based on device physics should be required. In this dissertation, static and low-frequency noise characteristics of low-dimensional advanced field-effect transistors (FETs), which are inde-pendently fabricated by top-down and bottom-up technology, are investigated in terms of dif-ferent channel materials and device dimensions and structures. At the beginning of this thesis, the trend of recent CMOS technology to overcome the short channel effects (SCEs) is introduced in terms of strain silicon channel engineering, silicon on insulator (SOI) technique, multi-gate structure, high-k and metal gate engineering, alterna-tive channel materials and beyond CMOS approaches. In chapters 2 and 3, various electrical parameter extraction techniques for low-dimensional FETs to evaluate device performances such as split capacitance-to-voltage (CV) technique, Y-function method (YFM), and Maserjian’s function including a numerical percola-tion simulation are introduced. The core carrier transport mechanism that dominates operation here is the field-effect control of 1-dimensional (1D) silicon-channel/nanowire, 2D silicon-channel/nanosheets, and quasi 2D randomly dispersed nanotubes. The low temperature characteristics of recently developed junctionless transistors (JLTs) will be presented as a possible promising device due to its figure of merits over im-proved short-channel operation. Based on the principle of device operation of JLTs, two con-duction regions can be defined with respect to silicon surface voltage, partially depleted region and surface accumulation region. But, as silicon channel width is shrunk until quasi-1D nan-owire shape, the threshold voltage (Vth) and flat-band voltage (VFB) are merged together at room temperature. To properly evaluate electrical parameters in such a low-dimensional silicon based device, this dissertation firstly dealt with low temperature behavior of Vth and VFB from quasi 2D planar to 1D nanowire devices. By employing split CV technique at room temperature and dual-gate coupling at low-temperature measurements, various devices parameters, tempera-ture and gate bias characteristics can be studied such as the temperature dependency of VFB and Vth, the gate oxide capacitance per unit area (Cox), and the doping concentration ND, respective-ly. With account for the position of VFB and their charge based analytical model of JLTs, bulk mobility (uB) and low-field mobility in accumulation region (u0_acc) were separately extracted, respectively. The mobility limitation factors concerning the degradation of uB and u0_acc with gate length in planar and nanowire JLTs have been studied. 1D metal-oxide nanowires (NWs) such as SnO2, ZnO and CuO materials have been widely studied because of their unique properties such as high surface-to-volume ratio, large aspect ratio, and carrier quantizing effects for electronic applications. Especially, SnO2 NW-FETs have been suggested as excellent candidates for high performance flexible and transparent NW transistors with low-temperature fabrication process. To improve the reliability of device performance, a post passivation process was suggested with the aim of reducing interface trap density and keeping adsorbents off the surface of metal-oxide NWs. To account for electrostatic coupling through the PMMA passivation layer, an analytical simulation to get the effective gate capacitance has been performed and compared to 1D cylindrical capacitance model (C1D). Channel access resistance (Rsd) effects on carrier mobility (u) and low-frequency noise (LFN) characteristics also described. The most widely spread device configuration relies on the random network since it is very easy to fabricate with low cost. However, for instance, the effective carrier number is not always to be known since it is easily has been influenced by oxygen molecules, humidity, and light so on. For this reason, proper electrical evaluation techniques have been needed. Static and LFN characterizations in quasi 2D N-type random network thin film transistors (RN-TFTs) based on single-walled CNTs have been presented. For the electrical parameter extraction, YFM was used to suppress Rsd influence. The gate-to-channel capacitance (Cgc) was obtained by split CV method and compared to 2D metal-plate capacitance model (C2D). In addition, to account for the percolation-dominated quasi-2D RN-TFTs, a numerical percolation simulation was performed with Floyd’s algorithm. LFN measurements were also carried out and the results were well interpreted by CNF and correlated mobility fluctuation model (CNF-CMF). Finally, C1D was suggested and applied to provide better consistency between all electrical parameters based on experimental and simulation results. Thermoelectric power (TEP) of 2D single-walled CNTs (SWCNTs) thin film networks has been investigated. In particular, SWCNT thin films are considered as attractive candidates to replace traditional transparent conducting oxides (TCOs) such as In2O3:Sn, SnO2:F, or ZnO:Al due to their low cost fabrication, flexibility, non-toxicity. To realize the potential of SWCNT networks as a thermoelectric power generator, a fundamental understanding of the inherent electrical and thermal transport properties is crucial. TEP, precisely tuned ratios of me-tallic (m-SWCNTs) and semiconducting (s-SWCNTs) in the network has been presented. To qualitatively analysis this, a theoretical model for TEP calculation with account for a junction effect between SWCNTs are introduced and compared with experimental results in a mixed SWCNT networks.

인공신경망 기반 전기차용 SynRM의 인버터 결합 손실 해석 및 최적설계

전성배 성균관대학교 일반대학원 2022 국내박사

본 논문에서는 초소형 전기차 구동용 동기형 릴럭턴스 모터(Synchronous reluctance motor, SynRM)의 인공신경망 기반 손실 해석과 더불어 저감된 해석 비용 내에 인버터 결합 손실 예측을 위한 해석 기법 연구 및 에너지 소비량 저감을 위한 최적설계를 다루었다. 먼저, 유한요소해석(Finite element analysis, FEA) 기반 모터의 전자계 해석, 특히 철손 해석 시, 자계의 비선형성과 후처리로 인해 고비용의 해석 시간이 소모되어 저감된 해석 시간 내에 효율맵 구축을 위한 FEA 및 인공신경망 결합 해석 기법을 연구하였다. 이를 위해, d-q축 전류 조합별 파라미터 추출 시, 요소별 자속밀도를 추가적으로 추출하여, 인공신경망 기반 학습을 통해 d-q축 전류에 대한 요소별 자속밀도 함수를 구축함으로써, 전 운전점에 대한 입력 전류와 맵핑 데이터뿐 아니라 학습된 데이터를 이용하여 자속밀도 산정 역시 가능하게 된다. 본 방법을 통해 운전점별 철손을 계산할 수 있고, FEA만을 적용한 해석 대비, 저감된 시간 내에 정밀한 효율맵을 구축할 수 있다. 다음으로는, 앞서 구축된 효율맵의 정밀도 개선을 위해 인버터 결합 해석 기반 철손 해석을 연구하였다. 스위칭 주파수가 반영된 실전류 파형 추출을 위해 공간 벡터 변조 방식의 인버터 모델을 구현하였으나, 이를 FEA와 결합하여 성능 해석을 수행할 경우, 해석 스텝 수의 증가로 상당한 해석 비용이 소요된다. 따라서, 인버터 스위칭으로 인한 철손 성분과 상 쇄교자속 고조파 간의 상관관계를 이용하여, 철손맵 구축을 위한 해석 기법을 연구하였다. 마지막으로, 초소형 전기차 구동용 SynRM의 도심 주행모드를 고려하여 소비 에너지 저감을 위한 설계를 수행하였다. 구상설계 단계에서는, 위 언급한 두 가지 해석 기법을 이용하여 SynRM의 고정자 슬롯 수와 회전자 자속장벽 수에 따른 에너지 소비량을 비교하여 토폴로지를 선정한다. 다음으로 최적설계 단계에서는, 선정된 토폴로지에 대한 최대효율 정합 최적설계를 수행하게 되는데, 이를 위한 운전점은 모터의 에너지 소비맵과 가중치법을 기반으로 산정된다. 최적설계 모델의 전자계 특성은 시작품 제작 및 성능 시험을 통해 검증한다. This paper proposes the loss analysis based on an artificial neural network(NN) and inverter-combined, and the optimal design to reduce the energy consumption of synchronous reluctance motor(SynRM) for personal electric vehicle propulsion. First, we study a novel analysis method for establishing an efficiency map by combining the finite element analysis(FEA) and the artificial NN to reduce the analysis time, because the electro-magnetic analysis of motors using the FEA, particularly iron loss analysis, requires a high time cost owing to the nonlinearity and the post-processing. When computing the d- and q-axis parameters based on the d-q currents, we additionally obtain the flux density in all the elements and it is learned by NN to make a function of the d-q currents. Then, the flux density for iron loss as well as the d-q currents at all the operating points for the loss analysis can be defined by the learning data. From the method, the iron loss can be calculated and the efficiency map is obtained within the reduced time while maintaining the accuracy comparing to the result from only the FEA. Second, the iron loss generated by the inverter switching frequency is analyzed based on the inverter-combined analysis for enhancing the accuracy of the efficiency established previously. Although we compose space vector pulse-width modulation(SVPWM) inverter model to obtain current waveform applying switching frequency, it requires considerable time cost when performing FEA based on the SVPWM current owing to the lots of analysis steps. Therefore, we study the analysis method to obtain iron loss map considering inverter switching by using the relationship between the iron loss and harmonics of phase flux linkage. Finally, we design SynRM for personal electric vehicle propulsion to reduce the energy consumption considering the urban driving cycle. In the stage of concept design, the energy consumption of the models classified into the number of stator slot and rotor magnetic flux barrier are compared by using the aforementioned two methods. Subsequently, the optimization of the chosen model is carried out for maximum efficiency matching, where the operating point is defined by the energy consumption map and weighted method. The electro-magnetic characteristics of the optimized model are demonstrated by the experimental validation on prototype.

대전입자를 이용하는 반사형 전자종이 디스플레이의 전기 및 광특성 향상과 분석 : Analysis and Improvement of Electrical and Optical Properties for a Reflective Electronic Paper Display using Charged Particles

이동진 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내박사

The driving principle of the quick response–liquid powder display (QR-LPD) or a toner display is very similar to that of electrophoretic displays (EPD); these displays use spherical particles which are negatively and positively charged with contrasting colors. However, the particles of QR-LPD move freely in the air within their respective cells, whereas the particles of EPD move in a fluid. Thus, the response time of QR-LPD is extremely faster than that of EPD. Moreover, this type of display has a well-defined threshold voltage and a very excellent bistabiliy so that it is possible to drive the display using both a passive matrix (PM) and an active matrix (AM) driving methods and the images are maintained over a long period of time without any bias voltages. Despite these obvious advantages, it is easy for the value of q/m (charge per mass for a particle) to be changed and damaged by a friction in a mixing process and a particle-insertion process. The variation of q/m value leads to a distortion and degradation in the electrical and optical properties of the display with a short lifetime. So, the new technologies, to solve above problems of QR-LPD and the non-uniformity of the optical properties of EPD, are proposed as follows. First, a panel structure for a high resolution and a baking process for the same conditions of panels are proposed. Also, a particle structure to minimize clumping phenomena and to enhance its flowability is suggested. Second, several forces acting on the charged particles in the respective cell and causes of the variation of q/m value in the fabrication procedures and a driving process are investigated through observing the driving properties. Subsequently, a discharging process for equilibrium of the oppositely charged particles after the mixing process and the particle-insertion process is suggested. Also, the mixing ratio is changed to 1 (white):1.2 (black), resulting an improvements of the optical properties with increases of the numbers of movable particles. Third, a new particle-moving method is compared with a simple particle-insertion method which is one of the conventional methods. The particle-moving method, to insert the charged particles into selected cells, uses the movement of the charged particles by electric fields and the memory effect by an image force between the charged particles and conductive materials. So, this method removes particles that are not optimally charged, thus improving the performance by lowering the driving voltage, suppressing clumping phenomena, and enhancing the reflectivity. In addition, the particle-moving method is utilized for color realization of the reflective electronic paper display using color particles. The color particles are successively moved into the selected cells on the upper substrate by electric fields after the color particles are respectively inserted to cells on the mold substrates of which the cell pattern varies according to the color array. This method has the advantage of an increased aspect ratio for a panel by setting the ribs on the upper and lower substrates. Also, the color particles move by the same bias voltage without an excessively high driving voltage because of filtering immobile particles by the electric field. Fourth, pieces of equations related to the movement of the particles are applied to determine the appropriate range of q/m value. To validate the theory, during the fabrication process of the display, the materials and structure are kept the same conditions except for the q/m value. Also, a measurement system for detecting response times of the charged particles is used to determine optimal driving pulses. The results from the measurement system are used to analyze whether the q/m value is changed after the fabrication procedures and whether the charged particles achieve electrical balance. Further, the response time with the reflectivity of the charged particles are utilized for the filtering pulse of the particle-moving method. In this manner, the electrical and optical properties are improved. Last, the charged particles of EPD do not have an intrinsic threshold voltage so that the optical properties depend on the position of particles in a fluid by a prior bias voltage. Hence, EPD needs an aging pulse, to obtain the uniformity of the optical properties, before an image transition by a driving voltage. So, the optical properties of EPD according to the position of the oppositely charged particles by the bias voltages are investigated. In addition, an aging pulse and a refresh voltage for the uniformity of optical properties are suggested. In this manner, the electrical and optical properties of EPD are improved. QR-LPD와 전기영동 디스플레이는 이미지 구현을 위하여 상반된 전하를 띠며 대조되는 컬러를 지닌 구형태의 입자들을 이용한다. 특히, 입자들이 유체내에서 운동하는 전기영동 디스플레이와는 달리 입자들이 공기 중에서 운동하는 QR-LPD는 응답시간이 매우 빠르며 우수한 쌍안정성을 가지고 있다. 또한, 문턱전압이 명확하여 수동 및 능동 방식의 구동이 모두 가능하다. 그러나 높은 구동전압, 짧은 수명, 컬러구현 등은 여전히 해결되어야 할 문제로 남아있다. 이는 주로 입자들의 전하량 변화와 불규칙한 운동특성으로부터 기인한다. 따라서 본 연구에서는 대전입자를 이용하는 QR-LPD와 전기영동 디스플레이의 신뢰성 있는 구동특성과 소자의 전기 및 광특성이 향상될 수 있는 기술들에 대하여 제안하고자 한다. 첫째, 본 연구에서는 기존의 방식보다 해상도를 향상시킬 수 있는 패널구조를 제안하였으며, 신뢰성 있는 전기 및 광특성을 분석하기 위하여 공정조건에 따른 재료의 특성변화를 확인하였다. 또한, 입자들의 군집현상의 원인에 대하여 분석하고 이를 최소화하며 입자들의 유동성을 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 제안하였다. 둘째, 본 연구에서는 셀 내부에서 입자들의 움직임에 영향을 주는 요소들을 파악한 후 패널을 제작 및 구동시켜 패널제조과정 중 발생하는 입자들의 전하량 변화에 대한 원인들에 대하여 조사하고 분석하였다. 이를 바탕으로 입자의 혼합 및 주입 공정 시 충돌 및 마찰에 의해 과 대전된 입자들의 평형상태를 얻기 위하여 방전시간을 (discharging time) 가졌다. 이때, 방전시간은 혼합 및 주입 공정 후 항온항습기 및 패널의 셀 내부에서 입자들이 안정화 및 평형상태에 도달할 때까지 외부에서 별도의 물리적이고 전기적인 힘이 입자들에 가해지지 않는 시간을 의미한다. 이를 바탕으로 입자의 혼합비를 1 (흰색입자): 1.2 (검은색 입자)로 재조절한 결과 운동하는 입자수의 급격한 증가와 함께 소자의 전기 및 광특성이 향상되었다. 셋째, 본 연구에서는 기존의 입자주입방법들과는 달리 전계에 의해 입자들을 선택된 셀에 주입하는 particle-moving방법을 제안하였다. particle-moving 방식은 구동 시 운동하지 못하는 입자들이 주입과정에서 미리 제거되기 때문에 구동전압이 낮아지고 입자의 군집현상 등을 방지하여 반사율이 매우 향상된다. 특히, particle-moving 방법은 컬러입자의 addressing 기술에 응용될 수 있으며, 이를 위해 컬러배열에 따라 특정한 형태로 형성된 몰드기판의 셀들에 컬러입자들을 채운 후 패널의 상판에 형성된 셀들과 align 후 전계에 의해 선택적으로 주입하였다. 이때, 패널의 상부와 하부기판은 분리된 구조로서 개구율이 향상되며, 주입과정 중 전계에 의하여 입자들이 필터링 되기 때문에 선택적으로 주입된 컬러입자들은 구동전압이 모두 같다. 넷째, 소자의 전기 및 광특성을 향상하기 위한 최적의 전하량을 결정하기 위하여 입자들의 운동특성과 관련된 관계식들을 사용하였으며, 이를 입증하기 위하여 입자들의 전하량을 제외한 모든 재료와 패널구조 등을 통일시켰다. 또한, 최적의 구동파형을 결정하기 위하여 입자들의 응답시간을 이용하였다. 특히, 응답시간은 반사율과 함께 분석 시 입자들의 전하량 변화와 입자들의 electrical balance 유무 등을 판단할 수 있기 때문에 이를 바탕으로 particle-moving 방법의 필터링 전압에 적용한 결과 소자의 전기 광특성이 크게 향상되었다. 끝으로, 문턱전압이 명확하지 않고 입자들이 유체내에서 운동하는 전기영동 디스플레이는 구동 전 입자들의 위치에 따라 소자의 광특성이 크게 변화된다. 따라서 본 연구에서는 재현성 있는 이미지를 구현하고 유지할 수 있는 aging pulse와 refresh 전압을 제시 하였으며, 이를 바탕으로 전기영동 디스플레이에 적용한 결과 소자의 전기 및 광특성이 크게 향상되었다.