열영상과 복합센서를 이용한 딥러닝 기반 불꽃감지

이주형 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

기존의 화재감지 시스템은 온도, 연기, 가스 센서 등에 의존하지만, 다양한 환경적 요인과 화재 발생 물질의 복잡성으로 인해 탐지의 신뢰성에 한계가 있다. 특히 적외선 센서, 연기 감지기 등 하드웨어 기반 장비는 제한된 감지 능력 때문에 비화재보를 일으킬 수 있다. 이런 문제를 해결하기 위해, 최근에는 다양한 센서 기술, 영상처리 기법, 그리고 인공지능(AI) 기술을 활용하여 화재감지 시스템의 정확도를 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 다중 센서 데이터를 통합하여 더욱 정확한 정보를 얻고, 영상처리를 통해 연기와 불길을 더 정확히 식별하며, 인공지능과 딥러닝 알고리즘을 사용하여 화재 발생 패턴을 학습함으로써 화재를 예측하고 감지하는 연구들이 진행되고 있다. 본 논문에서는 저해상도 열화상카메라(MLX90640)에서 상대온도 측정을 통해서 불꽃 여부를 판단하고, 적외선 센서(G3)를 사용하여 불꽃 영역대의 적외선 신호를 FFT 변환하여 명멸(Flickering) 주파수대에 존재 여부에 따라서 불꽃을 판단하는 임베디드 보드를 제작과 소프트웨어를 구현하였다. 이와 더불어 일반영상을 통해서도 YOLO 모델을 학습시켜 성능을 평가하였다. 실험 조건은 한국소방산업기술원(KFI) 감지기의 형식승인 및 제품검사 시험 세칙을 따라 실험하였다. 실험 결과, 임베디드 보드로 구성된 불꽃 감지기에서는 온도 감지와 적외선 센서로 조합으로 불꽃을 판별하였으며, 또한 태양광, 백열등 및 다른 광원도 불꽃이 아닌 것으로 구별되었다. 일반영상 데이터에서도 YOLOv5/v7에서 실험 결과를 비교하고 각각의 모델이 얼마나 감지 정확도를 평가했다. 임베디드 보드에서 열화상 및 적외선 데이터와 영상 데이터들을 조합하여 딥러닝 모델로 학습시키고 평가하여 적절한 딥러닝 모델을 선정함으로써 정확도 높은 불꽃감지 시스템 운영할 수 있음을 확인했다.

설명 가능한 인공지능을 활용한 산업용 이미지 데이터 증강 기법

김민규 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

비전 딥러닝 모델을 위한 산업용 데이터 구축은 데이터를 수집하고 가공하는 데 많은 시간과 비용이 소모되며 그 중에서도 불량 데이터를 모으기는 정상 데 이터를 수집하는 것보다 더 큰 어려움을 가진다. 일반적으로 불량이 전체 데이 터에서 차지하는 비중은 10%아래이기에 이는 딥러닝 모델을 학습시킬 때 클래 스 불균형 문제를 야기한다. 이러한 클래스 불균형 문제는 해당 클래스에 대한 정확도를 낮추며 불량 클래스가 치명적인 일부 산업현장에서는 더 치명적으로 다가온다. 본 연구에서는 제한된 불량이미지를 증강시켜 클래스 불균형 문제를 해소하고자 하였다. 기존 일반적인 증강 기법과 설명가능한 인공지능 기법인 CAM을 결합하여 모델이 불량이라고 인식하는 부분을 찾아내고 이를 통해 불량 패치를 만들어낸다. 만들어진 불량 패치를 정상 이미지에 삽입하여 부족한 불 량 이미지의 개수를 증강시키고 이를 바탕으로 클래스 불균형 문제를 완화하고 자 하였다. 이를 통해 기존 불량 데이터 수집에 있어 나타나지 못했던 위치에 서의 불량에 대해서도 표현이 가능하였다. 본 연구를 통해 제안된 방법론은 기 존 일반적인 증강방법론 대비 높은 정확도를 가졌으며 원본 데이터세트와 기본 적인 증강이 적용된 데이터세트보다 불량 제품을 더 정확하게 분류하여 성능을 입증하였다. Construction of industrial data for the vision deep learning model takes a lot of time and money to collect and process data, and among them, collecting bad data is more difficult than collecting normal data. In general, defects account for less than 10% of the total data, so this causes a class imbalance problem when learning a deep learning model. This class imbalance problem lowers the accuracy of the class and is more fatal in some industrial sites where defective classes are fatal. This study attempted to solve the class imbalance problem by enhancing the limited defect image. By combining the existing general augmentation technique and the CAM, an explanatory artificial intelligence technique, it finds the part that the model perceives as defective and creates a defective patch through this. It was attempted to increase the number of insufficient defective images by inserting the created defective patch into the normal image and to alleviate the class imbalance problem based on this. Through this, it was possible to express defects at locations that did not appear in the collection of existing defective data. The methodology proposed in this study proved its performance by classifying defective products more accurately than the original dataset and the dataset with basic augmentation.

회절 광학 소자 기반 적응형 전조등 시스템 연구

신성욱 한국공학대학교 일반대학원 2023 국내석사

현재 전조등에 관한 연구 방향은 기존 전통 조명 광원 시스템과 동일한 패러다임(Paradigm)으로 진행되고 있어 LED 조명시스템이 단순화된 구조로 전환되지 못하고 있다. 특히, Low-beam(하향등, 변환빔) 시스템의 성능에 대한 법적 규제가 까다로워서 이를 만족하기 위해 광학 시스템이 복잡한 형태를 가진다. 미래형 Low-beam의 경우 상황에 따른 선택적인 조명(적응형)을 필요로 하는데 Beam Target에 대한 기준 규정이 포함하는 성능의 국소적 밝기에 대한 Contrast 비가 매우 높다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전조등 시스템의 구현을 위한 회절광학소자를 설계하고 이에 대한 시뮬레이션을 진행하여 성능을 측정하였다. 회절광학소자는 일반도로 모드인 Class C, 고속도로 모드인 Class E, 젖은도로 모드인 Class W의 배광을 만족하도록 4-Level로 설계하였다. 각 Pixel 크기는 파장에 따라 445㎚, 525㎚, 638㎚에서 405㎚ × 742㎚, 477.27㎚ × 875㎚, 580㎚×1,063㎚로, 가로 550개, 세로 300개로 회절광학소자를 구성한다. 시뮬레이션 결과 각 주요 측정점에서 광도 및 위치 요구사항을 만족함을 확인하였고, Class C에서의 광 효율 77.73%, Class E에서 광 효율 79.50%, Class W에서 광 효율 71.65%를 가짐을 확인하였다. 추가로 백색광 구현 시뮬레이션의 진행 과정에서 색 번짐 효과의 발생을 확인하였고 색 번짐 현상의 최소화를 위한 반사프리즘 광학계를 추가로 설계하여 색 번짐 현상을 최소 65.66%에서 최대 77.32%까지 개선하여 백색광을 구현하였다. 추후 본 연구의 결과를 통하여 적응형 전조등 시스템을 구현하는 경우, 각 모드의 회절광학소자를 연속 배열하고 슬라이드함으로써 상황에 맞는 배광을 형성할 수 있으며 높은 광도 대비와 구조의 단순화를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

S i 기반 u-SOFC 성능 향상을 위한 반응 면적 최적화 설계 및 특성 연구

김민지 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

The necessity of global carbon neutrality is emerging worldwide. In response, electricity is being generated through the reaction of hydrogen and oxygen, and the prospect of environmentally friendly fuel cells using water as a byproduct is increasing. In particular, solid oxide fuel cells are gaining attention due to their high-power density per unit mass and high output per unit cell. However, a drawback of solid oxide fuel cells is that they operate in high-temperature environments. Therefore, micro fuel cells have been proposed to address this issue by reducing the electrolytes' and electrodes' thickness to achieve low resistance, enabling vigorous electrochemical reactions even at low temperatures. The mechanical and thermal stability of thin films is a challenge that needs to be addressed. In this study, we have proposed a new design by distributing micro cells more widely and arranging cells with low stress at stress concentration position, thereby increasing the effective area. We researched to understand component characteristics and optimize efficiency. The stress analysis per unit area of micro-cell size was carried out through COMSOL simulation. The stress of hexagonal, rectangular, and circular shapes was also analyzed by COMSOL simulation. The component design cases were set with the reference sample as (Case 1). (Case 2) involved an arrangement of 50μm circular cells up to a 6.3mm area. (Case 3) arranging circular cells up to a 6.3mm area with 30μm cells on the side. (Cases 4, 5) involved arranging rectangular and hexagonal cells in the same configuration as (Case 3). Additionally, optimization studies were conducted on the unit processes of Pt electrode film and YSZ electrolyte film. It was confirmed that Peak Power increases with the effective area in the measurement environment. Consequently, a stable component case with a 69% increase in Peak Power compared to the reference sample was identified. Further research on electrolyte and electrode materials is believed to lead to superior component results. 전세계적으로 탄소중립에 관한 필요성이 대두되고 있다. 이에 수소와 산소의 반응을 통해 전기가 생산되며, 부산물이 물로 친환경적인 연료전지 시장 전망이 증가하고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지는 높은 질량 당 Power 및 단위셀 당 고출력으로 인해 각광받고 있다. 하지만, 고체산화물 연료전지의 경우 고온의 환경에서 작동한다는 문제점이 있다. 따라서 전해질 및 전극의 두께를 감소시켜 낮은 저항으로, 낮은 온도에서도 전기화학적 반응이 활발하게 이뤄질 수 있는 마이크로 연료전지가 제시되게 되었고, 활발히 연구중에 있다. 이에 얇은 박막의 기계적, 열적 안정성을 확보해야하는 문제점이 있다. 이에 따라 더 나아가 본 연구에서는, micro cell을 더 넓게 분포시키고, 응력집중 위치에 응력이 작은 셀을 배열시킴으로써 유효면적을 키운 새로운 디자인 형태를 고안, 소자 특성 파악 및 효율 최적화 연구를 진행했다. COMSOL 시뮬레이션을 통해 마이크로 셀 크기당 응력 분석을 진행했으며. 육각형, 사각형, 원형에 대한 응력 또한 분석하였다. 소자 디자인 Case는 reference sample을 (case 1)으로 하여, (case 2)는 6.3mm 영역까지 50um 원형 cell을 배열시킨 소자, (case 3)는 6.3mm 영역까지 원형 셀을 배열시키되 side 영역에 30um cell을 배열한 소자, (case 4, 5)는 (case 3) 형태에서 사각형, 육각형 cell을 배열한 소자로 하였다. 또한, Pt 전극 박막 및 YSZ 전해질 박막 단위공정 최적화 연구를 진행했다. 본 측정 환경에서 Peak Power는 유효면적에 따라 증가하는 것을 확인했다. 이로써 reference sample 대비 Peak Power 값이 69% 증가한 안정적인 소자 case를 확인하였다. 추후 전해질 박막 물질 및 전극 물질 등의 추가 연구가 이루어진다면, 더 우수한 소자에 대한 결과를 얻을 수 있을 것이라고 생각한다.

A study of vertical PIN structure with intrinsic AlGaN drift layer grown using metal-organic chemical vapor deposition

허윤석 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

In this study, an AlGaN drift layer was incorporated into the vertical PIN diode structure using metal-organic chemical vapor deposition (HT-MOCVD) to achieve higher breakdown voltage characteristics compared to the conventional GaN drift layer. To achieve high breakdown voltage characteristics in conventional vertical GaN PIN diode a thick drift layer is essential. Additionally issues arise from current crowding effects occurring at the interface between Mg-doped p-type GaN and the drift layer, leading to early breakdown of the device. To address these issues, we applied AlGaN with a wider band-gap to the drift layer and etched Mg-doped p-type GaN into a 12.9˚ bevel shape using ICP-RIE. However, due to lattice mismatch between GaN substrate and AlGaN, we grew AlGaN with a maximum of 4 % Al. We grew GaN, AlGaN with 2 %, and 4 % Al on a bulk n-type GaN substrate by adjusting the TMAl flow. As the Al ratio in the drift layer increased, we observed a degradation in surface root mean square (RMS) values due to the strong bond strength of AlN. Additionally, Cathodo-Luminescence (CL) revealed that AlGaN with 4 % Al had 9 % higher defect density than GaN. Photoluminescence (PL) measurements at 213 nm and low-temperature PL at 13 K showed a decrease in defect-related emissions, such as Yellow-Luminescence (YL) and Blue-Luminescence (BL), with increasing Al content. Comparative analysis of device characteristics based on the Al ratio in the drift layer using B1505A revealed approximately 10 % higher breakdown voltage (Vbr) characteristics in AlGaN with 4 % Al compared to GaN. Consequently, in a vertical PIN diode with a 20 ㎛ thick drift layer of Al0.04Ga0.96N a BV of 2540 V and an on-resistance (R) of 7.4 mΩ-cm2 were achieved, demonstrating superior Vbr characteristics compared to other groups. In conclusion, an improvement in breakdown voltage and leakage current characteristics of the device was observed with an increasing Al ratio in the drift layer. Further research is needed to enhance the DC characteristics of the device by applying field plate and passivation technologies, as well as optimizing the growth of p-type GaN to improve on-resistance characteristics. 본 연구에서는 유기 화학 기상 증착법 (MOCVD) 을 사용하여 수직 PIN 다이 오드 구조에 AlGaN 드리프트 층을 도입하여 기존의 GaN 드리프트 층과 비교 하여 높은 항복 전압 특성을 달성하였습니다. 일반적인 수직 GaN PIN 다이오드에서 높은 항복 전압 특성을 달성하기 위해 서는 두꺼운 드리프트 층이 필수적입니다. 또한, Mg 도핑된 p형 GaN과 드리프 트 층 간의 인터페이스에서 발생하는 전류 집중 효과로 인해 소자의 조기 파괴 현상이 발생하는 문제가 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 우리는 AlGaN 을 드리프트 층에 적용하고 ICP-RIE를 사용하여 Mg 도핑된 p형 GaN을 12.9˚ 각도의 베벨 형태로 에칭했습니다. 그러나 GaN 기판과 AlGaN 간의 격자 불일 치로 인해 우리는 최대 4% Al을 포함한 AlGaN을 성장시킬 수 있었습니다. 우리는 TMAl 유량을 조절하여 n형 GaN 기판 위에 GaN, AlGaN (Al 함량 2 % 및 4 %)을 성장했습니다. 드리프트 층에서 Al 비율이 증가함에 따라 AlN의 강한 결합력으로 인해 Al 표면 확산 길이가 감소하여 표면의 평균 제곱근 값 (RMS)이 악화되는 것을 관찰했습니다. 또한, Cathodo-Luminescence (CL)을 통 해 Al 함량이 4 %인 AlGaN이 GaN보다 9 % 높은 결함 밀도를 가진 것을 확인 했습니다. 213 nm에서의 Photoluminescence (PL) 및 13 K에서의 저온 PL 측정 에서는 Al 함량이 증가함에 따라 Yellow-Luminescence (YL) 및 Blue-Luminescence (BL)과 같은 결함 관련 방출이 감소하는 것을 확인 했습니다. B1505A 반도체 분석기를 사용한 드리프트 층 내 Al 함량을 기반으로 한 소자 특성의 비교 분석 결과, 4 % Al을 포함한 AlGaN이 GaN에 비해 약 10 % 높은 항복 전압 (Vbr) 특성을 나타냈습니다. 또한, Al0.04Ga0.96N 드리프트 층이 20 ㎛ 두께의 수직 PIN 다이오드에서 2540 V의 항복 전압 및 7.4 mΩ-cm2의 온저항 (Ron)을 달성하여 다른 그룹과 비교하여 우수한 항복 전압 특성을 나타냈습니 다. 결론적으로, 드리프트 층 내 Al 비율이 증가함에 따라 소자의 항복 전압 특성 과 누설 전류 특성이 향상되었으며 추후 연구를 통해 field plate와 passivation 기술을 적용하여 소자의 DC 특성을 향상시키고 p-type GaN 성장 최적화를 통 해 온저항 특성을 향상할 필요가 있습니다.

Removal of oil using hydrophobic silica nanomaterials

응웬화이한 한국공학대학교 일반대학원 2023 국내석사

In the first part of the study, silica fibers were fabricated by sol-gel reaction during electrospinning process. A high voltage source of electricity was applied to the prepared spinning solution to form the fibers. Macroporous silica fibers were prepared using polystyrene (PS) nanospheres as a templates after calcination. The pore size could be controlled by adjusting the diameter of PS nanospheres in the spinning solution. To this end, PS nanospheres with different diameters (250, 430, 600, 870, and 1000 nm) were synthesized by the dispersion polymerization method. Because there exists hydrophilic surface on silica fibers, the coating film composed of the fibers showed superhydrophilicity, which is not suitable for adsorbing oil contaminant. Thus, silane coupling agents were used to modify the surface of the porous fibers to obtain hydrophobic and water-repellent property due to the presence of methyl groups. As a result, we could measure the adsorbed amount oil using the porous silica fibers modified with various kinds of coupling agent or PS nanospheres with different sizes to investigate their effects on oil adsorption. When the size of macropores in the fibers increased, the amount of adsorbed oil increased, because the infiltration of oil through the pores became easier. Small hydrophobic group of the silane coupling agent like methyl group was more advantageous to adsorb more amount of oil compared to bulky functional groups. The oil adsorption capacity of the porous fibers was measured as larger value compared to that of meso-macroporous silica particles, since the voids between the fibers might provide additional space for oil adsorption. In the second part of this study, the Taylor-vortex reactor was utilized to synthesize silica nanoparticles from a sodium silicate solution and carbon dioxide. The exceptional advantages of this reactor were demonstrated by comparing the synthesis results of silica nanoparticles with those obtained using an Erlenmeyer reactor. The effects of the rotation speed of the inner cylinder of the Taylor-vortex reactor, the concentration of the sodium silicate solution, and the reaction temperature were investigated regarding the properties of the synthesized silica particles. The results indicated that silica particles synthesized from the Taylor-vortex reactor were smaller in size compared to those synthesized from the Erlenmeyer reactor. Scanning electron microscopy (SEM) images and histograms depicting the particle size distribution obtained from the experiments clearly demonstrated that the concentration of SiO2 in the solution, the reaction temperature, and the rotation speed of the cylinder significantly influenced both the morphology and size of the silica particles. The silica particles synthesized using the aforementioned method were subjected to surface treatment to enhance their oil adsorption capabilities. Surface treatment plays a crucial role in modifying the surface properties of the particles, enabling them to effectively adsorb oil molecules. The surface treatment process involves various techniques such as functionalization, coating, or modification with specific chemical agents. The purpose of surface treatment is to create a hydrophobic surface on the silica particles, which enhances their affinity for oil and improves their oil adsorption capacity. By transforming the surface hydroxyl groups into hydrophobic functional groups using appropriate chemical agents, the particles' surface becomes more oleophilic, facilitating the attraction and retention of oil molecules. Furthermore, the effectiveness of the surface treatment was evaluated by conducting oil adsorption tests on the treated silica particles. These tests encompassed subjecting the particles to oil exposure and quantifying the oil adsorbed per unit mass of particles. Through the quantification of oil adsorption capacity, the efficiency and effectiveness of the surface treatment method can be evaluated. The results obtained from the oil adsorption tests offer valuable insights into the performance of the surface-treated silica particles, showcasing their remarkable ability to adsorb and retain oil. This characteristic holds crucial importance in various applications, including oil spill remediation, wastewater treatment, and environmental cleanup. 물 속에서 유출된 오일을 제거하는 것은 생물권과 인간을 보호하기 위한 중요한 문제다. 실리카와 같은 적절한 물질로 이루어진 오일 흡착제의 개발은 유망한 연구로 진행되어 왔다. 실리카는 지구의 지각 중 하나인 주요 구성 요소 중 하나이기 때문에 안전하고 비독성인 후보물질로 간주될 수 있다. 이 연구에서는 오일 흡착제의 잠재적인 응용으로 오일을 흡착하기 위해 전기방사법을 통해 다공성 실리카 섬유를 제조하였다. 출발 물질로는 테트라에틸올르토실리케이트(TEOS)를 사용하여, 분산 중합법으로 합성한 PS 나노구형체를 첨가하여 방사 용액을 제조하였다. 전기방사를 하고 500°C에서 열처리를 한 후 실란 커플링제들을 사용하여 표면개질을 하였다. FT-IR 스펙트럼 분석에 의해 methyl 그룹이 부착되는 것을 검증되었다. 실험 결과에 따라 Methyltrichlorosilane(MTCS)로 표면개질을 할 때 다공성 실리카 섬유의 오일 흡착 량은 가장 높게 나타났다. 오늘날 합성 실리카는 화장품, 고무 타이어, 플라스틱, 전자 제품, 코팅과 기타 산업에서 중요한 성분이 된 고도로 전문화된 재료이다. 합성 실리카는 기상 또는 액상 공정으로 분류될 수 있는 두 가지 주요 경로를 통해 산업적 규모로 생산된다. 어떤 방법으로 제조하더라도 모든 합성된 실리카 재료는 비정질이다. 비정질 실리카의 주요 종류 중에 침강 실리카는 상업적으로 가장 큰 의미가 있다. 연구의 두 번째 부분에서는 규산나트륨 용액과 이산화탄소로부터 실리카 나노입자를 합성하기 위해 Taylor-vortex 반응기를 활용하였다. 반응기의 뛰어난 장점은 Erlenmeyer 반응기로 실리카 나노입자 합성 결과를 비교하여 입증되었다. Taylor vortex 반응기 내부 실린더의 회전 속도, 규산나트륨 용액의 농도, 반응기의 온도가 합성된 실리카 입자의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. SEM 이미지를 통해 관찰한 쿠에트-테일러 반응기에서 합성된 실리카 나노입자는 일반 반응기에서 제조된 실리카 입자보다 작은 일차 입자 크기(약 1/2 크기보다 작음)로 균일한 형태를 나타났다. Na2SiO3 농도, 반응 온도, 쿠에트-테일러 반응기 내부 실린더의 회전 속도가 평균 입자 크기에 미치는 영향을 규명하였다. 따라서 Na2SiO3의 농도, 실린더의 회전 속도가 증가함에 따라 실리카 입자의 평균 입도가 증가하였고, 반응 온도가 높아질수록 핵 생성 속도보다 빠르게 핵의 성장을 촉진하여 입자 크기도 커졌다. 비표면적(BET) 분석 결과로부터 6, 8 그리고 10% 농도의 Na2SiO3 용액으로부터 합성된 실리카 입자는 407.3, 346.0, 262.8 m2/g의 표면적 분석 결과를 얻었다. 실리카의 평균 입자 크기는 반응에 참여하는 Na2SiO3의 농도가 증가함에 따라 증가하였다. 대조적으로, BET 표면적은 실리카 입자의 크기가 증가함에 따라 점차 감소하였다. 또한 합성된 실리카로부터 MCTS 표면개질과정을 통하여 흡유가 가능함을 확인하였다. 8% 농도의 Na2SiO3으로부터 합성된 실리카로 MTCS 7.05ml를 사용하여 표면개질한 샘플의 흡유량 결과는 ‘3.2g 오일/(1g 실리카 분말)’ 이었다.

RF 스퍼터로 성장된 산화 갈륨 저항성 스위칭 메모리 기반의 광전자 시냅스 특성에 대한 연구

김정현 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

저항성 스위칭 소자는 저전력 소비, 빠른 속도, 높은 밀도 등의 다양한 이점을 가지는 비휘발성 메모리 기술로, 신경계통 모사, 인공지능, 임베디드 시스템 등의 다양한 분야에서 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 기존의 전기 입력 자극은 대역폭 및 전력 손실 측면에서 한계가 있어 대역폭이 넓고 전력 소모가 적은 광을 활용하는 광전자 시냅스 소자에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 소자는 광 자극을 통합하여 사람의 눈과 같은 생물학적 기능을 할 수 있어 이미지 인식 기술에 최적화되어 있다. 이러한 기술의 발전은 웨어러블 디바이스 및 차세대 센서를 포함한 미래 산업에 중요할 것으로 예상된다. 이러한 광전자 시냅스 기술에는 다양한 재료가 사용되는데, 산화물 반도체(Oxide semiconductor), 페로브스카이트(Perovskite), 저차원 물질(2D material) 중에서도 산화물 중에 하나인 Ga2O3는 뛰어난 광학 및 전기적 특성으로 인해 우수한 저항성 스위칭 성능을 발휘하는 물질로써 넓은 밴드갭 에너지를 가지며, 우수한 열적 및 화학적 안정성으로 인해 메모리 분야에서 성능 저하를 완화시킬 수 있다고 보고되고 있다. 또한, 낮은 캐리어 이동도를 가져 비정질 구조에서도 높은 고유의 저항 상태를 가지며, 산소 농도에 매우 민감하기 때문에 후처리 공정 없이 제조 공정에서 산소 함량을 제어함으로써 Ga2O3 기반 저항성 메모리의 성능을 최적화할 수 있어 메모리 분야에서 큰 관심을 받고 있는 물질이다. 최근의 연구들은 광 검출기, 트랜지스터, 멤리스터 구조를 포함한 다양한 Ga2O3 기반의 시냅스 소자들에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 소자들은 자외선 영역의 빛에서 단기 기억과 장기 기억 사이의 전이를 효과적으로 촉진하여 인간의 뇌와 유사한 학습 및 망각 과정의 시뮬레이션을 가능하게 한다. 더 나아가, 인공 신경망 시뮬레이션을 통해 학습의 정확성을 검증할 수 있다. 더하여 기존에 2진법으로 사용되던 메모리 소자에 광 및 전기적 신호를 더하여 다진법의 소자로 활용할 수 있다. 이러한 소자는 소자의 고집적화, 전력 효율 등에서 미래 반도체 소자의 발전에 기여할 것으로 기대된다. 따라서, 본 연구에서는 RF Sputter 를 이용하여 금속-절연체-금속 구조로 제작된 Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자의 메모리 특성을 분석하고, 이를 기반으로 Ga2O3 기반 저항성 스위칭 소자를 통한 광전자 시냅스 특성을 분석하였다. 또한, 저항 상태에 따른 광전자 시냅스 특성을 분석하여 주파수, 광 지속시간, 광 인가 횟수, 광 세기에 따른 단기기억에서 장기기억의 특성을 확인하였다. 이를 기반으로 인공신경망 시뮬레이션을 진행하여 90% 이상의 패턴 인식 정확도를 확인하였으며, Ga2O3 의 광반응을 이용하여 4 진법의 다중 논리 상태를 나타낼 수 있는 것을 확인하였다.

Twin domain engineering of epitaxial (111) diamond films grown on sapphire

강현우 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

Diamond is an ultra-wide bandgap material with outstanding properties, such as high carrier mobility, a high breakdown field, and high thermal conductivity. Therefore, diamond has the advantage of being suitable for extreme environments such as high temperature and high voltage, which semiconductors like Si and GaN cannot handle. Efforts are underway to develop single-crystal diamond substrates to apply the excellent properties of diamond to various applications such as power devices and sensors. While heteroepitaxial diamond substrates with (001) orientation have been reported, diamond of (100) plane faces limitations in n-type doping characteristics due to the large carrier thermal activation energy of P atoms. In contrast, (111) oriented diamond is known to have superior n-type doping efficiency compared to (100) orientation. However, the development of (111) oriented diamond substrates is essential, yet there is a lack of research reports on this matter. The easy formation of twin defects in (111) oriented diamond, which can have adverse effects on device degradation such as leakage current in future applications. In this study, high-quality twin-free (111) diamond nuclei were formed using r-plane (1-102) sapphire. Additionally, we report on the mechanism of the twin defect formation and suppression of the iridium buffer layer used to grow diamond on a sapphire substrate. The results not only provide a strategy for growing single-domain diamond films but also provide insights into the growth of high-quality twin-free single-crystal films on sapphire substrates.

ZnO-NiO 이종접합 나노구조를 통한 상온구동 NOx Gas sensor에 대한 연구

박윤서 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

Extensive research has been conducted to rapidly detect Nitrogen Dioxide (NO2), a gas known for its adverse effects on human health and the environment. Gas detection methods, classified based on operational principles such as catalytic combustion, electrochemical reactions, thermal conductivity, and metal oxide semiconductor approaches, have been explored. Among these methods, metal oxide semiconductor-based gas sensors have gained attention for their relatively low production costs and high detection performance. However, these sensors typically operate at temperatures exceeding 150°C for gas detection, leading to challenges such as reduced component lifespan and compromised detection stability. Consequently, recent research has consistently explored gas detection methods at room temperature. A prominent approach for room-temperature gas detection involves the application of UV activation. Typically, when light with a wavelength shorter than the material's band gap is applied, it activates the material's electrons, generating electron-hole pairs that aid in gas detection. Nevertheless, UV activation methods are limited by the rapid recombination of carriers generated by the light, restricting their effectiveness. This study addressed the limitation by employing a p-n heterojunction structure to inhibit the recombination of carriers generated by light activation, thereby aiming to achieve high detection performance at room temperature. Zinc Oxide (ZnO), a representative n-type oxide semiconductor, was synthesized in nanorods using a hydrothermal synthesis method. A 5nm layer of p-type Nickel Oxide (NiO) was applied to the synthesized nanorods using an e-beam evaporator to further enhance the sensor's performance. To create the sensing material, the resulting nanorods underwent heat treatment in a furnace under atmospheric pressure at temperatures ranging from 200 to 800°C. A comparative analysis of the gas detection characteristics of the synthesized sensor at different NO2 gas concentrations (10ppm, 25ppm, 50ppm) revealed that the ZnO/NiO 5nm sample treated at 800°C exhibited over four times enhanced detection performance and high recovery characteristics compared to standard ZnO sensors. This research presents a promising approach to developing an efficient gas sensor capable of detecting NO2 at room temperature. 인체와 환경에 악영향을 미치는 Nitrogen dioxide gas를 신속하게 감지하기 위해 선행적으로 다양한 연구가 진행되어 왔다. 가스를 감지하기 위한 방식으로는 구동 방식에 따라 촉매 연소식, 전기화학식, 열 전도식, 금속 산화물 반도체 방식 등으로 구분되며, 그 중 금속 산화물 반도체 기반 가스 센서는 다른 방식에 비해 비교적 낮은 제조비용과 높은 감지 성능의 장점을 가지고 있다. 그러나 산화물 반도체 기반 가스 센서는 가스 감지를 위해 대부분 150℃ 이상의 고온에서 작동하며, 이는 소자의 수명 저하, 감지 안정성 저하 등 다양한 문제를 동반한다. 때문에, 최근에는 상온에서 가스를 감지하기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 상온에서 가스를 감지하는 방법 중에서 대표적으로 UV 광 활성화 방식이 적용되어왔다. 일반적으로 물질의 밴드 갭 보다 작은 파장의 광이 물질에 조사되면, 광을 통해 물질의 전자를 충분히 활성화 시키고, 전자-홀 쌍을 생성하여 가스 감지에 도움을 준다. 그러나 UV를 통한 광 활성화 방식은 광 생성된 캐리어의 빠른 재결합으로 인해 광 활성화 효과가 제한된다는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 극복하고자 p-n 이종접합구조를 통해 광 생성된 캐리어의 재결합을 억제하여 상온에서 높은 감지 성능을 이끌어내고자 했다. 이를 위해 대표적인 n-type 산화물 반도체 물질인 ZnO를 수열합성법을 통해 표면적이 넓은 nanorod 형태로 합성하였다. 제작한 nanorod에 p-type인 NiO를 적용하고자 e-beam evaporator를 사용하여 Ni 5nm를 증착하였으며, Furnace 장비를 사용하여 상압에서 200~800℃ 열처리를 진행하여 감지재를 제작하였다. 제작한 감지재의 NO2 가스 10ppm, 25ppm, 50ppm의 유량 별 가스 감지 특성 비교를 통해 800℃ 열처리한 ZnO/Ni 5nm 샘플의 경우 일반 ZnO보다 약 4배 이상의 감지 특성 향상과 높은 회복 특성을 확인할 수 있었다.

감압점착제 필름 컷팅 다이를 위한 점착방지 코팅의 이형성 연구

하유진 한국공학대학교 일반대학원 2024 국내석사

금형 표면의 점착으로 인한 공정 트러블을 줄이기 위해서는 표면의 이형성을 높여 표면 특성을 개선하는 것이 중요하다. 금형 표면의 점착을 줄이는 방법은 다양하게 있지만, 산업에서 사용하는 가장 보편적인 방법은 점착방지 코팅을 실 시하여 표면의 이형성을 높이는 방법이다. 기존의 연구들은 점착방지 성능을 예 측할 때, 주로 표면 접촉각에만 의존하고 다양한 점착방지 코팅의 표면 에너지와 이형성 영향에 관한 연구가 부족하다. 또한, 비 점착 코팅이 실제로 이형성을 향 상하는지에 대한 연구는 찾아보기 어렵고 재료와 처리법의 영향을 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 표면에 이형성 코팅을 시행하고 그 성능을 접촉각과 박 리 강도로 확인하여 접촉각과 이형성의 관계를 파악하고자 한다. 또한, 접촉각 측 정을 통하여 점착제와 이형성 코팅한 금형 간의 표면 에너지, 점착 일, 계면 에너 지를 파악하여 박리 강도와의 영향을 살펴보고자 하였다. 첫 번째로, 접촉각과 박리 강도를 측정하였다. 소수성 코팅의 결과 100도 이상 의 접촉각과 최소 0.0025 N/mm의 낮은 박리 강도로 이형성 개선을 확인할 수 있 었다. 다음으로 표면의 거칠기, 점착제의 소재, 코팅제의 종류에 따른 이형성 코 팅의 영향을 살펴보고자 하였다. 접촉각의 경우, 전진 접촉각은 정적 접촉각과 유 사한 거동을 보여주며, 후퇴 접촉각은 정적과 전진 접촉각에 비해 작은 값을 보 인다. 박리 강도의 경우, 소수성 코팅의 결과로 대체로 뚜렷한 박리 강도의 감소 를 얻을 수 있었으나 일부 코팅제에서 상대적으로 높은 박리 강도 값을 보였다. 이는 박리 강도 측정에 사용된 점착제와 코팅제의 성분이 동일하기 때문에 그 효 과가 크게 나타나지 않았다. 접촉각 및 박리 강도 값에 있어서 표면의 거칠기는 이형성 코팅의 영향을 미치나 금속의 소재, 코팅제의 종류, 점착제의 종류 등에 따라서 그 정도가 다르게 나타났다. 측정한 접촉각과 박리 강도 값을 통해 상관 관계를 분석한 결과, 정적 접촉각과 전진 접촉각에서는 접촉각이 증가할수록 낮 아지는 표면 에너지에 의해 박리 강도 감소를 확인할 수 있었다. 그러나, 접촉각 은 최대 143.1도까지 고르게 분포하지만, 박리 강도는 FS와 PFPE 코팅의 경우 0 에 가깝게 낮아진다. 이에 물의 접촉각만으로는 박리 강도를 정확하기 예측하기 어렵다고 판단하였다. 후퇴 접촉각-박리 강도, 접촉각 히스테리시스-박리 강도는 는 정적과 전진 접촉각에 비해 상관도가 낮다. 두 번째로, 분산 및 극성 성분이 알려진 Di-water와 Diiodomethane 용액으로 접촉각을 측정한 후 Fowkes 방정식과 Dupre 방정식을 사용하여 고체의 표면 에 너지, 점착제와 소수성 코팅표면 간의 점착 일과 계면 에너지를 계산하였다. 고체 의 표면 에너지는 소수성 코팅을 하면 표면 에너지값은 감소하며, 표면 거칠기의 증가에 따른 감소가 뚜렷하다. 특히나 거칠기 증가에 따른 극성 성분의 감소가 뚜렷하게 나타났다. 계면 에너지와 점착 일도 소수성 코팅에 따라 감소한다. 점착 일-박리 강도의 상관성을 분석한 결과 점착 일이 증가할수록 박리 강도도 증가하 는 경향을 보인다. 계면 에너지-박리 강도는 소수성 코팅을 하면 계면 에너지가 10 mN/m 이하로 낮아지나 매우 낮은 상관관계를 보이며, 박리 강도는 코팅제의 종류의 영향을 받는다.