전력반도체 IGBT 소자의 전기적 특성향상을 위한 Floating Dummy Trenc Gate IGBT 전기적특성에 관한 연구

신명철 극동대학교 일반대학원 2019 국내석사

국문초록 많은 IT산업 발전으로 정말 많은 곳에 전자 제품과 전력반도체 소자가 사 용되어 지고 있다. 환경이 파괴됨으로 인해 신재생에너지 또한 발전되어 지고 있고 발전한 전기 에너지를 일상생활에서 사용하기 위해 인버터가 필요하고 인버터엔 파워반도체 소자인 IGBT가 사용되어 지고 있으며 전기 자동차 등에 도 사용되고 있다. 그 중 스위칭 소자인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transi stor)를 연구하였다. IGBT 소자는 Gate 구조에 따라 Planar, Trench gate type IGBT으로 구분되어 지고 Wafer 후면 공정 구조에 따라 Nun Punch through, Punch through, Field stop IGBT 로 구별되어진다. 본 논문에서 연 구하고자한 소자는 Field stop Trench gate type IGBT를 연구하였다. IGBT의 전기적 특성인 문턱전압(Threshold voltage), 항복전압(Breakdown voltage), 온-상태 전압강하(On-state voltage drop, Vce-sat), 래치업 (Latch-up)을 개선 및 향상하기 위하여 IGBT 상단 구조에 Floating Dummy Trench gate 구조를 추가한 구조에 대해 연구를 진행하였다. 본 논문에서는 Synopsys 사의 T-CAD Tol Simulation을 통해 연구를 진 행하여 120V급 Trench gate type IGBT, Floating Dummy Trench gate type IGBT(FDT-IGBT), Ground Dummy Trench gate type IGBT(GDT-IGBT)소자를 설계 및 비교분석하였다.

건축물 피뢰설비 안정성 평가를 위한 인하도선 전기적 연속성 측정 장치에 관한 연구

이윤걸 숭실대학교 대학원 2020 국내석사

본 논문에서는 건축 피뢰시스템의 안전성평가를 위한 전기적연속성 측정 장치 개발에 관한 연구에 대해 기술하였다. 낙뢰에 의한 전기전자 설비의 오동작 및 고장사고는 안정적인 전원공급을 위협하는 위험요소로 국내에서도 이와 관련된 사고가 빈번히 발생하고 있다. 국내에서는 2011년 자연재해대책법이 발효되었으며 낙뢰 역시 자연재해의 요인으로 규정하고 있어 주요 공공 시설물에서는 이에 대한 보호대책 수립 및 점검이 필요하다. 피뢰시스템은 국제 기술표준 IEC 62305 Protection against lightning에 규정되어 있으며 건축구조물의 피뢰대책 수립은 설계 단계에서부터 반영되어 완벽한 본딩 시스템이 구축되어져야 하며 주기적인 예방 점검이 필요하다. 본 연구에서는 피뢰설비 안전성 진단의 일환으로 건축구조물의 전기적 연속성 측정 장치에 관한 연구를 수행하였다. 피뢰시스템은 수뢰부에 뇌격 시 이를 인하도선과 접지시스템을 통해 뇌격전류를 대지로 방류하기 위한 것으로 구조물의 최상부에서 접지시스템까지의 전기적 연속성에 대한 검증이 필요하다. IEC 62305에 의하면 철근콘크리트 구조물에서 최상부와 지표사이의 전기적 연속성을 측정하며 10[A]의 시험전류로 측정하여 저항이 0.2[Ω]이하로 유지하도록 규정하고 있다. 이를 위해 10[A]급의 정현파 전류를 주입하여 피뢰설비의 전기적 연속성을 평가하기 위한 측정시스템을 임베디드 기반 하드웨어로 설계하였다. 전기적 연속성 측정 장치의 시험전류 생성부는 D/A변환기와 전류 증폭용 앰프회로의 조합으로 구성하였으며 설계된 최대 저항 측정 범위인 3[Ω] 까지 10[A]의 정현파 정전류를 유지하며 측정됨을 확인하였으며 IEC 62305 규격의 시험규격에 부합함을 확인하였다. 단순히 저항을 측정하는 방식에서 저항성분과 리액턴스 성분을 측정하여 임피던스로 분석하는 방안을 제시하였으며 이는 피뢰설비의 뇌격전류와 같은 고주파 성분이 포함된 시설물의 안전성 평가에는 기존의 방법 보다 신뢰성 있는 방안으로 판단된다. 측정의 정확도를 개선하기 위해 측정 리드선의 영향을 배제하고 4단자 식 측정을 2단자 식 측정으로 간소화하는 기능을 구현하였다. 2단자 식 측정 기법으로 측정 시, 측정용 장거리 리드선에 따른 측정 오차를 개선하기 위해 리드선의 임피던스를 먼저 측정하여 보상하는 방식을 제안하였다. 이를 통해 기존의 4선식 측정방식에 비해 동등한 정확도를 유지하면서 현장에서 사용 시 작업 효율성의 개선효과가 있다고 판단된다. 저 저항 측정에 대한 공인 시험 결과 교정된 측정 장치와 시제작된 측정 장치로 측정된 값이 거의 일치함을 확인하였으며 개발품의 저항 측정 정확도를 입증하였다. 시제작된 측정 장치를 이용하여 현장에서 기존 상용 측정 장치와 비교 측정한 결과 유사한 결과 값을 나타냄을 확인하였다. 또한 기존 상용 장치에서는 분석이 불가능한 저항성분과 리액턴스 성분에 대한 측정도 가능함을 확인하였다. 이를 통해 건축물에서 인하도선 또는 금속 구조물로 구성되는 피뢰시스템의 특성을 임피던스로 분석하기 위한 기본 자료 확보가 가능하며 피뢰설비의 안전성 검증 및 대책 수립에 효과적인 데이터를 제공할 수 있다. 이상의 연구를 통해 건축물 피뢰시스템의 안전성 평가를 위한 전기적 연속성 측정 장치를 구현하였으며 현장 적용을 통해 유효성을 확인하였다. This paper has studied the electrical continuity measurement system for the safety evaluation of the lightning protection system of building. Malfunctions and accidents in electrical equipment caused by lightning strike are a risk factor for stable electrical environment. In Korea, the Natural Disaster Countermeasures Act came into effect in 2011, and lightning strikes are also a factor in natural disasters, so major public facilities need to establish and check their countermeasures. The lightning protection system is defined in the international technical standard IEC 62305 "Protection against lightning", and the establishment of lightning protection measures for building structures should be reflected from the design stage, and a perfect bonding system should be built and periodical preventive checks are required. In this study, the electrical continuity measuring device of the building structure was studied as part of the safety diagnosis of the lightning protection system. The lightning protection system is for discharging lightning current to ground through the down-conductor wire and grounding system. It is necessary to verify the electrical continuity from the top of the structure to the grounding system. According to IEC 62305, the electrical continuity between the top and the ground in reinforced concrete structures is limited below 0.2Ω. at 10A of test current. For this purpose, a embedded system for evaluating the electrical continuity of the lightning protection system by using a 10A current was designed. The test current generator part was composed of D/A converter and current amplifying amplifiers and it was confirmed that the sine wave constant current of 10 A is maintained up to the maximum resistance measurement range of 3 Ω. Also it is suggested to measure the resistive component and reactance component instead of only measuring the resistance of structure. Because this method is more reliable than the existing method to evaluate the safety of the facility including the high frequency component such as lightning current. In order to increase the accuracy of the measurement, the function of excluding the influence of the measurement lead wire and simplifying the 4-terminal measurement to the 2-terminal measurement is implemented. Compensating method was suggested to reduce the measurement error by the long-distance lead wire. As a result of the official test for low resistance measurement, it was confirmed that the value measured by the calibrated measuring device and the manufactured measuring device was almost identical and the resistance measurement accuracy of the developed product was proved. It was confirmed that the result of the comparative measurement in the field using the prototype measuring device showed similar result value. In addition, it was confirmed that the measurement of the resistance component and reactance component that cannot be analyzed in the existing commercial equipment. Through this, it is possible to secure basic data for analyzing the characteristics of the lightning protection system composed of down-conducting wires or metal structures and to provide effective data for safety verification and establishment of measures for lightning protection facilities. Through the above studies, the electrical continuity measuring device for safety evaluation of building lightning protection system was implemented and its validity was verified through on-site application.

Electrical and Optical Stability Analysis of Solution-Processed Single-Walled Carbon Nanotube Thin-Film Transistors

유현준 서울대학교 대학원 2023 국내박사

기존 실리콘 기반 기술의 다양한 한계점들이 대두됨으로 인해, 새로운 특별한 특성을 가지는 특수 반도체 물질들이 각광받고 있다. 반도체성 탄소나노튜브는 이러한 트랜드에서 제시된 재료 중 하나로, 다른 유기 및 산화물 반도체에 비해 뛰어난 전기적/기계적 특성을 보이기 때문에 미래 전자 기기에 대한 유망한 반도체 물질 후보로 손꼽히고 있다. 그러나, 탄소나노튜브는 안정성 측면에서 큰 약점을 가지고 있다. 특히 외부 산소 흡착으로 인한 전하 트래핑 증가는 탄소나노튜브 기반 소자의 전기적인 안정성을 크게 저하시킨다. 그리고 광학적인 부분에서, 탄소나노튜브는 빛에 민감한 소재로 알려져 있어 투명 웨어러블 기기에 적용하기에 부적합하다고 평가 받는다. 이러한 안정성 문제의 해결을 위하여 봉지 기술 혹은 화학적 도핑 기술 같은 방법들이 활발히 연구되고 있다. 하지만 이러한 접근 방식은 사용되는 재료의 한계, 공정의 복잡성, 전기적인 특성 저하 등의 문제로 인해 아직 산업 응용 분야의 요구 사항을 충족하지 못하고 있다. 먼저 전기적인 안정성 향상을 위하여, 본 학위 논문에서는 이중 게이트 구조를 용액 공정 기반 탄소나노튜브 박막 트랜지스터에 적용하고, 그 결과 발생하는 안정성 향상 정도를 평가하였다. 특히, 추가 전극에 적절한 바이어싱을 걸어 소자의 전기적 스트레스를 제어할 수 있음을 보였다. 탄소나노튜브 기반 소자에 대한 통상적인 봉지 기술 효과를 확인한 결과, 봉지 기술은 소자 히스테리시스를 감소시키고 게이트 전압 스트레스에 대한 안정성을 증대 시킨다는 것을 확인하였다. 그러나 동시에, 절연 물질에 따라 비정상적인 스트레스 동작이 발생하는 것 역시 관찰되었다. 특히, 일부 폴리머 기반 절연 물질의 경우 비정상적인 전류 감소 현상이 관찰되었는데, 이는 실리콘 산화물 절연 물질을 사용한 트랜지스터의 전기적 스트레스에 대한 거동과는 반대되는 결과이다. 이러한 비정상 거동을 해결하기 위하여 이중 게이트 구조를 적용, 추가 게이트 바이어스를 통해 스트레스에 대한 동작을 조절하는 방법을 연구하였다. 분석 결과, 전체 소자의 전기적인 스트레스에 대한 동작 변화는 하부 및 상부 게이트 구조 트랜지스터 스트레스 거동의 단순한 선형적인 합으로 귀결됨을 알 수 있었다. 또한 추가로 제작된 상단 게이트에 적절한 반대 전압을 가하면 전체 소자의 비정상적인 스트레스 반응 동작을 제어할 수 있음을 확인하였다. 이러한 방법은 전기적인 방식이기 때문에, 추가적인 재료/공정에 대한 고려 없이 전기적 안정성을 향상시킬 수 있는 솔루션을 제공한다. 또한 탄소나노튜브 기반 박막 트랜지스터의 광학적 안정성에 대한 연구가 진행되었다. 먼저 탄소나노튜브 트랜지스터의 광반응 메커니즘 분석을 위하여 빛 반응 테스트를 진행하였다. 트랜지스터 소자는 청색 레이저 (~ 450 nm) 에 노출 되었을 때 전류 열화를 보였으며, 적색 레이저 (~ 650 nm) 에 노출 되었을 때는 반응을 보이지 않았다. 한편 탄소나노튜브 트랜지스터는 이러한 파장 의존성 외에도 빛의 세기에 의존하는 광 반응을 보였다. 아르곤 환경에서의 탄소나노튜브 트랜지스터 빛 반응을 관찰한 결과, 소자의 주요 빛 반응 메커니즘은 광탈착임을 밝혔으며, 그로 인해 빛 반응에서 빛의 세기에 대한 임계 값이 존재함을 확인하였다. 이 임계 값은 다른 유기 및 산화물 반도체의 임계 값에 비해 상대적으로 높은 값을 보였다. 그 결과 태양광과 같은 낮은 세기의 빛에서는 탄소나노튜브 트랜지스터가 거의 빛 반응을 보이지 않음을 확인하였으며, 이는 일상적인 빛에서는 안정적으로 동작할 수 있다는 가능성을 보여주었다. 이상의 두가지 안정성 연구를 기반으로, 회로 수준에서의 동작 테스트를 진행하였다. 먼저, 이중 게이트 구조를 이용한 다이오드 연결 형태의 문턱 전압 센싱 회로를 시뮬레이션 및 제작하였다. 이중 게이트 구조의 적용 결과, 회로의 문턱 전압 감지 성능이 크게 향상됨을 확인하였다. 또한 이중 게이트 구조를 적용한 p 형 인버터 회로를 제작하였다. 제작 결과 게인과 전력 소모 측면에서 큰 동작 향상을 보일 수 있었다. 이러한 회로 연구를 기반으로, 간단한 보상 회로를 시뮬레이션 및 제작하여 전체적인 안정성 향상을 확인하였다. 한편 투명 소자의 경우, 마찬가지로 p 형 인버터 회로를 제작하여 태양광 아래에서의 안정성을 평가하였다. 또한 제작된 회로의 유연성 평가를 위하여, 각 층과 전체 소자에 대해 밴딩 테스트를 진행하였다. 일부 층은 밴딩 테스트로 인해 약간의 열화 현상을 보였지만, 추가적인 아일랜드 구조 효과가 이를 상쇄하여 트랜지스터 레벨에서는 안정적인 동작을 보일 수 있었다. 이처럼 제작된 투명 트랜지스터 소자는 기계적인 측면과 광학적인 측면 모두에서 뛰어난 안정성을 보여, 탄소나노튜브 기반 트랜지스터가 웨어러블 디바이스와 같은 분야에 적용될 수 있음을 보였다. 정리하자면, 본 학위 논문은 용액 공정 기반 제작된 탄소나노튜브 기반 트랜지스터의 전기적, 광학적 안정성을 분석한 결과를 보여주고 있다. 이전까지의 탄소나노튜브 기반 소자 안정성 연구는 대부분은 재료적인 기반으로 접근하는 경우가 많았다. 그러나 산업적인 측면에서는 재료적인 접근만으로는 여러가지 한계가 존재한다. 따라서 본 논문에서 진행한 소자의 안정성 향상을 위한 전기적인 접근은 산업적인 응용을 위한 탄소나노튜브 기반 트랜지스터의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. Recently, there has been growing interest in exploring alternative semiconducting materials to overcome the limitations of conventional silicon-based devices. One such material is semiconducting carbon nanotubes (CNTs), which possess exceptional electrical and mechanical properties compared to other organic or oxide semiconductors. As a result, CNTs have emerged as a promising candidate for future electronic applications. On the other hand, CNT-based devices face challenges in terms of electrical stability, primarily attributed to charge trapping caused by the adsorption of external oxygen. Furthermore, CNT is known to be a photo-sensitive material, which makes it unsuitable for applications in transparent wearable devices. To address these issues, several studies have focused on improving the stability of CNT transistors through methods such as passivation or chemical doping. However, these approaches have not yet met the requirements for industrial applications due to limitations associated with the materials used, process complexity, and potential degradation of electrical properties. In this dissertation, double-gate-structured CNT thin-film transistors (TFTs) fabricated with solution-process was demonstrated to control the electrical gate bias stress behavior of transistors through appropriate biasing. While the passivation method showed improvements in terms of reduced hysteresis window and enhanced stability under gate bias stress, it also exhibited abnormal behavior depending on the dielectric and passivation material selection. Specifically, an abnormal current reduction phenomenon was observed in some passivated CNT TFTs, which was contrary to the stress behavior observed in bare CNT TFTs. To resolve this abnormal behavior, modulating additional gate bias by applying the double gate structure was investigated. The result showed that the stress behavior of the double gate structure can be understood as a simple summation of the stress behavior of bottom and top gate structured transistors. By applying an opposite bias on the top gate, the overall electrical stress could be reduced, thereby adjusting the abnormal behavior. This method provides a potential solution to the electrical stability problem of CNT TFTs without the need for additional considerations regarding materials or complex processes. In addition, the optical instability of CNT TFTs was also studied. At first, the primary photo-response mechanism of CNT TFTs was analyzed through light illumination tests. It was observed that CNT TFTs exhibited current degradation when exposed to blue laser illumination (~450 nm), while no response was observed with red laser illumination (~650 nm). Furthermore, the photo-response of CNT TFTs was found to be dependent on the power level of the incident light, in addition to its wavelength dependency. Further analysis of the photo-response of CNT TFTs in an argon (Ar) atmosphere revealed that the principal photo-response mechanism in CNT TFTs is photo-desorption, with a threshold for the light power level. It was also observed that the threshold power level for CNT TFTs is comparatively higher than that of other advanced semiconducting materials. As a result, CNT TFTs showed almost no photo-response under low power level light illumination such as sunlight, showing the potential of CNT TFTs for stable operation under daily light conditions. Under these two stability studies, circuit-level operation tests were conducted. Firstly, a diode-connected threshold voltage sensing circuit was demonstrated by utilizing the double gate structure. The additional connection with the double gate structure significantly enhanced the threshold voltage sensing performance of the transistors, which is crucial for the compensation circuit demonstration. Furthermore, p-type-only inverter circuits were fabricated and tested with the double gate structure, resulting in improved gain and reduced power consumption. Moreover, a simple compensation circuit with double gate structure was simulated and fabricated, demonstrating improved stability. In terms of transparent devices, a similar p-type-only inverter circuit was fabricated, and its operation under daily sunlight was tested. Moreover, a bending test was performed on each layer and the overall device of the TFTs to evaluate their flexibility. While individual layers degraded with bending stress, the island structure effect reduced the overall stress effect, leading to stable transistor operation under bending stress. Fabricated transparent CNT-based inverter exhibited great stability under both bending and daily sunlight exposure, proving that CNT TFT could be used for transparent devices such as wearable devices. This dissertation demonstrates electrical and optical stability analysis of solution-processed CNT TFTs. Previous studies on the stability of CNT TFTs have predominantly focused on material-based approaches, such as passivation techniques. However, in the aspect of industrial use, there are limitations in material selection due to process complexity, cost, or safety issues. Therefore, the electrical approach should also be studied to solve the stability issues in CNT TFTs. Consequently, this research has the potential to contribute to the advancement of CNT TFTs for industrial applications.

전기적 시냅스로 구성된 신경망에서 역치하 막전위 파동의 전파모형

김상열 부산대학교 2018 국내박사

신경세포는 자신의 세포막 안팎의 전위차로 써진 언어를 시냅스란 구조물을 통해 다른 신경세포들과 주고받으면서 소통한다. 그들의 전기적인 대화를 이해하는 것은 천억 개 정도의 뉴런으로 구성된 인간의 뇌를 연구하기 위한 기초적이고 필수적인 과정이다. 뉴런의 막전위를 미세전극으로 관측한 이후로 사람들은 실험적 측정치를 잘 설명하는 물리적 모형들로부터 단일뉴런의 전기적인 운동방식을 이해하게 되었다. 그리고 이제 사람들은 ‘커넥토믹스’란 깃발을 휘날리며 시냅스로 서로 연결된 다수 뉴런들의 토폴로지와 그들의 전기적인 운동방식들을 밝혀나가고 있다. 일반적으로 시냅스의 종류에는 신경전달물질의 분비를 거쳐서 한 뉴런의 막전위가 다른 뉴런으로 전파되는 화학적 시냅스와 그 과정을 거치지 않고 직접 전파되는 전기적 시냅스가 존재한다. 비록 신경신호의 전달방식에 있어서 전기적 시냅스는 화학적 시냅스에 비해 원시적인 면이 있지만, 뉴런들의 연결망에서 관측되는 막전위 요동의 동기화나 발포의 조직화 등 몇몇의 특수한 현상들에서 전기적 시냅스가 필수적인 역할을 수행하는 것이 알려졌다. 한편 특정한 진동수로 요동치는 막전위가 단일뉴런이나 신경망에서 종종 발견됐다. 특히 발포를 일으킬 수 없는, 역치 전위보다 낮은 진폭을 가진, 막전위 진동은 단일뉴런의 주기적인 발포나 신경망의 동기화된 활성의 원인으로 이해되고 있다. 더욱이 이것은 두 종류의 시냅스 중에서 전기적 시냅스를 통해서만 전파될 수 있기 때문에, 적절한 물리적 전파모형을 세우고 거기서 발생하는 전파특성을 관찰하는 것은 신경계의 기초적 연구나 응용에서 필수적이다. 본 연구에서 나는 전기적 시냅스로 구성된 신경망에서 역치하 막전위 파동의 전파에 관한 이론적이고 물리적인 모형을 제시하고 이것을 간단한 사각형이나 사각격자 연결망에 대해 적용시켜 해당 모형이 드러내는 전파특성들을 논한다. 또한 실제로 전체 뉴런과 근세포들의 시냅스 연결망이 완전히 밝혀진 예쁜꼬마선충에 대해 해당 전파모형을 적용해보고 그 결과와 의미를 고찰해본다.

분자의 배열이 유기발광다이오드의 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향에 관한 연구 & 색 변환 방법

이석제 호서대학교 대학원 2020 국내석사

본 연구에서는 OLED의 발광재료로 사용되는 유기분자 층 내에서 분자의 배열이 소자의 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 분자의 배열을 할 수 있는 고분자 재료를 발광층 재료로 사용하였으며, 제작공정이 간단한 용액공정을 활용하여 소자를 제작하여 실험을 진행하였다. 먼저 용액공정에 많이 사용되는 MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinyene])를 이용하여 소자를 제작하고, 전기적인 특성을 분석하였다. 일정한 방향으로 분자들이 배열하도록 박막을 형성하는 방법을 제안하였다. radial 방향으로 분자들이 배열하는 spin coating 방법과 한쪽방향으로 배열하는 bar coating의 두 가지 조건으로 소자를 제작하여 특성을 비교 분석하였다. 두 경우, 동일한 두께의 소자를 제작하기 위해 Ga ion source-focused ion beam-scanning electron microscope (Ga-FIB-SEM)을 이용하여 두께를 분석하였다. 각 coating 방법마다 조건을 다양하게 변경해가며 두 경우의 두께를 40 nm로 일치시켰다. 분자의 배열상태를 확인하고 분자의 배열과 소자의 전기적 특성의 연관성을 분석하기 위해 atomic force microscopy (AFM), spectroscopic ellipsometer (SE), X-ray diffraction (XRD), LCR meter를 활용하여 물성을 분석하였다. 마지막으로 소자의 전기적 특성이 향상되었을 때, 디스플레이 성능에 미치는 영향을 비교하기 위해 I-V-L system을 이용하여 전기광학특성을 분석하였다. Spin coating으로 제작된 OLED 소자는 5 V에서 동작하며 35.75 cd/m2의 최대휘도와 0.024 cd/A의 발광효율을 나타냈다. 한편 bar coating으로 제작된 OLED 소자는 4.5 V에서 동작하며 120.3 cd/m2의 최대휘도와 0.123 cd/A의 발광효율을 나타냈다. 이러한 결과는 발광층의 분자를 일정한 방향으로 배열할 수 있는 소자의 경우, 디스플레이의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 분자의 배열과 전기적 특성의 관계에 대한 연구를 좀 더 확장하여, 광학적 특성과의 관계를 분석하였다. 유기분자 층을 coating 하기 전에 전극과 유기분자 층 사이에 PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) [Heraeus/Clevios P.VP.Al 4083]를 이용하여 쉽게 유기분자 층의 분자를 배열하는 방법을 제안하였다. PEDOT:PSS는 hole injection layer (HIL)로 주로 사용되며, 분자구조 특성상 rubbing 공정을 진행하면 유기분자를 원하는 방향으로 배열시킬 수 있는 배향막과 같은 역할을 하는 재료이다. 우리는 그 위에 이방성을 가진 분자구조의 유기고분자재료를 선정하고 coating하여 원하는 방향으로 배향시켰으며, thermal assembly 공정으로 PEDOT:PSS의 rubbing 방향으로 발광층의 고분자를 정렬시킬 수 있었다. 유기분자가 rubbing 방향으로 배열되면 선편광된 빛을 방출한다. 분자가 정렬된 경우 선편광된 빛을 발광하는 재료로 F8BT (poly (9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole))와 PFO (poly (9,9-dioctylfluorene))가 대표적으로 알려져 있다. 이 두 가지 재료로 소자를 제작하여 선편광 특성을 나타내는지 분석하였다. 편광판의 투과축을 rubbing 방향 기준으로 0°와 90°로 위치시켜, I-V-L system을 이용하여 전압에 따른 최대발광을 확인하고 발광된 빛이 선편광된 빛임을 확인하였다. EL spectrum을 분석한 결과 F8BT의 경우 548 nm에서 편광도가 148.3, PFO의 경우 436 nm에서 편광도가 304.8의 특성을 얻을 수 있었다. 마지막으로, 서로 다른 색을 발광하는 재료들을 혼합하여 새로운 색을 구현하는 방법에 대해 연구하였다. 용액공정은 소자의 특성이 제조공정에 영향을 많이 받는다. 적층구조로 소자를 제작하는 경우, 먼저 형성된 층이 그 위에 형성되는 층의 solvent에 영향을 받기 때문에 실험적으로 농도비를 최적화하는 것에 많은 어려움이 있었다. 또한 편광된 빛을 발광할 수 있는 재료가 많지 않기 때문에, 다양한 색을 구현하기 위해서 재료의 혼합방법에 대한 연구가 필요했다. 각 재료의 발광 스펙트럼 특성을 Taylor 급수로 전개하여 파장에 따른 발광특성을 다항식으로 표현하고, 재료의 농도비에 따른 발광 스펙트럼과 색좌표를 simulation 하였다. 결론적으로 분자의 배열은 전기적 특성의 향상으로 디스플레이 성능을 향상시킬 수 있으며, 광학적인 측면에서 편광된 빛을 방출하여 LCD backlight, 3D display등의 다양한 응용분야에 적용할 수 있다. 색 변환 simulation 기법을 용액공정뿐만 아니라 진공공정에도 적용하여 소자를 제작하기 전 농도조건에 따라 발광하는 빛의 색을 예측할 수 있는 길라잡이로 사용할 수 있다.

Sb_(2)O_(3) 添加된 高電壓用 ZnO 바리스터의 製造 및 電氣的 特性에 관한 硏究

오수홍 전남대학교 대학원 2001 국내박사

ZnO 바리스터는 臨界電壓 以下에서는 옴 特性, 臨界電壓 以上에서는 非옴 特性을 나타내는 素子이다. 高電壓用 ZnO 바라스터는 臨界電壓은 높지만 각종 서지에 대한 電氣的 安定性은 떨어지는 短點이 있다. Sb₂O₃는 ZnO 바리스터의 非直線係數를 향상시키므로 Sb₂O₃ 첨가량, 燒結 溫度 및 時間 등을 變化시키면서 高電壓用 ZnO 바리스터를 製作하여 微細構造에 따른 誘電率과 電氣的 特性을 硏究하였다. 高電壓用 ZnO 바리스터 燒結 溫度, 維持 時間 및 添加劑의 양에 따라 微細構造가 다르기 때문에, 結晶 構造를 分析하기 위해 X線 回折 分析과, 燒結 表面의 粒子와 粒界의 特性을 定量的으로 分析하였다. 또 ZnO 素子의 構造的 分析에 信賴性을 높이기 위하여 프랙탈 프로그램을 이용하여 ZnO 바리스터의 表面의 粒子 密度와 形狀 및 粒子의 크기를 定量化 하였다. 誘電率과 電氣的 特性은 周波數에 따른 誘電率과 誘電損을 分析하고, 電壓 인가에 따른 非直線 係數, 障壁電壓, 粒界電壓 및 臨界電壓을 硏究하였다. 프랙탈 프로그램에 의해 定量化된 ZnO 바리스터 表面의 構造가 誘電率과 電氣的 特性에 미치는 영향에 관하여 考察하였다. ZnO 바리스터의 微細構造는 Sb₂O₃의 몰비의 증가에 따라 스피넬 構造를 形成하여 多結晶 構造로 되였으며, 粒子의 成長을 抑制하였다. 또한 프랙탈 次元이 높은 試片에서 粒子의 크기가 적으며, 表面은 複雜한 形狀이 考察되었다. 誘電損은 Sb₂O₃가 添加되지 않는 試片에서 0.2∼0.5의 範圍로 障壁 電位가 낮아 漏泄 電流로 인한 熱 損失이 考察되었고, 臨界電壓은 1250[℃]에서 1時間 燒結하고, Sb₂O₃의 첨가량이 1.0[mol%]일 때 880[V]로 가장 높아 電氣的 安定性이 優秀한 高電壓用 ZnO 바리스터를 얻었다. 非直線 係數는 Sb₂O₃가 1.0 및 2.0[mol%] 添加되고, 1250[℃]에서 2時間 燒結한 試料가 45 및 46의 값을 보이고, 서지 吸收가 優秀한 高電壓用 ZnO 바리스터 特性이 考察되었다. 프랙탈 次元은 Sb₂O₃가 4.0[mol%] 添加되고, 1250[℃]에서 1時間 燒結한 試料에서 1.82로 가장 높아 ZnO 바리스터의 直列 層數의 증가로 인하여 臨界 電壓이 향상되었다. Sb₂O₃가 添加된 高電壓用 ZnO 바리스터에서 Sb₂O₃는 粒子의 成長을 抑制하고, 燒結 溫度와 維持時間이 증가함에 따라 粒子는 크게 成長되었다. Zn0 Varistors was shown ohmic properties when it's applied voltage was below critical voltage. It was shown non-ohmic properties over critical voltage, because current was increased with decreasing resistance. High voltage Zn0 varistors had high breakdown voltage, but it had bad electrical stability with various surge. Sb₂O₃ was increased non-linear coefficient in Zn0 varistors grain boundary. High voltage Zn0 varistor was fabricated with Sb₂O₃ addition, sintering temperature and sintering time. It was studied to dielectric constant and electrical properties. Microsturcture was varied with sintering temperature, holding time and addition quantity. For analysing of crystal structure, grain and grain boundary of high voltage Zn0 varistors were analyzed by quantitative analysis. Fractal program was used to reliance of structure analysis. Dielectric constant and dielectric loss, nonlinear coefficient, barrier voltage, grain boundary voltage and breakdown voltage were measured. By fractal program, it was studied that dielectric constant and electrical property were influenced by Zn0 varistor surface. Microsturcture of Zn0 varistors shaped spinel phase and grain growth was restrained according to increasing Sb₂O₃ mol ratio. The specimen which shown high fractal dimension had small grain and complicated surface shape. Dielectric loss of non Sb₂O₃ addition specimen was 0.2-0.5, thermal loss was generated by leakage current. And the specimen(sintering condition : 1250[℃] 1[hr], Sb₂O₃ mol ratio:1[mol%]) was shown 880[V] breakdown voltage. Nonlinear coefficient was 45-46 in the specimen(sintering condition : 1250 [℃] 2[hr], Sb₂O₃ mol ratio : 2[mol%]). Fractal dimension was 1.82 in the specimen(sintering condition : 1250[℃] 1[hr], Sb₂O₃ mol ratio : 4[mol%]). It's critical voltage was improved with serial grain layer number. As fractal dimension was high, breakdown voltage was increased. In Zn0 varistors with Sb₂O₃ addition, Sb₂O₃ was depressed grain growth, grain size was grown increasing sintering temperature and supporting time.

TDMOSFET의 전기적 특성의 안정성 및 최적화에 관한 연구

황준선 西江大學校 大學院 2003 국내석사

본 논문에서는 저전압에서 대전류를 제어할 수 있는 전력 소자인 TDMOSFET의 전기적 특성을 온도 변화와 cell 수의 증가에 따라 분석하였다. 먼저, test cell(9cells)과 22k cell, 45k cell 및 94k cell의 온도 변화에 따른 전기적 특성을 분석한 결과 온도가 상승함에 따라 I_(ds), g_(m), V_(T) 및 R_(on) 등은 그 특성이 저하되었다. 다만, BV 값은 증가하여 그 특성이 향상되었다. 한편, cell 수가 증가하면 대부분의 전기적인 특성들이 향상되는 것을 확인할 수 있었는데 특히 R_(on)이 감소하여 I_(ds)가 증가하는 등 온도 상승에 따른 효과를 보완하는 쪽으로 작용하였다. 다만 cell 수가 증가하면 reliability는 떨어졌는데, 이는 동작하지 않는 cell 때문에 unit 전체가 동작하지 않는 확률이 커졌기 때문인 것으로 보였다. 400K 이상의 온도환경에서는 TDMOSFET의 주요 전기적 특성인 대전류를 만족하지 못하였는데, 이 때는 N-epi 영역의 도핑 농도를 더 높여주거나 trench 게이트의 깊이를 더 늘리는 방법을 통해 보완할 수 있다는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었다. This paper analyzed the electrical characteristics of TDMOSFET cells with changing temperature and number of cells. Increasing the temperature, most of the electrical characteristics such as I_(ds), g_(m), V_(T) and Ron are degraded, but BV alone is increased. On the other hand, as the number of cells are increased, most of the electrical characteristics are improved, including decrease of R_(on) especially, so as to compensate the degradation in high temperature operation. But the reliability of the whole cell system is somewhat degraded when the number of the cells are increased, and it is supposed that it was because the probability of malfunction of unit cell increased. Above 400K, the increase of the number of cells alone could hardly satisfy the high current level. In this case, it is verified by simulation that increase of the doping level of N-epi layer and increase of the trench gate length are helpful for the proper operations.

미세입자 측정용 간이형 전기적 저압 임팩터 개발을 위한 설계 및 성능평가

조명훈 연세대학교 대학원 2003 국내석사

미세 입자상 물질이 인체의 미치는 영향에 대한 관심이 증가하면서 공기중에 부유하고 있는 미세입자에 대한 정확한 측정 및 평가는 매우 중요하다. 이런 입자상 물질을 측정할 수 있는 대표적인 계측기로 다단 임팩터가 있다. 다단 임팩터는 에어로졸의 크기분포를 측정하는데 사용되어 왔는데 신뢰성 있는 데이터를 얻기 위해서는 긴 샘플링 시간이 필요하다. 전기적 다단 임팩터는 이러한 단점을 극복하기 위해 최근에 개발된 계측장비이다. 이미 Dekati사에서 ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)라는 제품이 상용화 되어 있고 많은 연구가 되어 왔다. 전기적 임팩터는 입자하전장치와 다단 임팩터, 다채널 미세전류계 등으로 구성된다. 본 연구에서는 1 mm 이하의 입자상물질을 실시간으로 크기분포에 대한 농도를 얻기 위해 3단으로 임팩터를 구성하여 포터블하고 저가형인 전기적 임팩터 구성을 목적으로 한다. 이를 위해 미세한 입자상 물질을 실시간으로 측정할 수 있도록 입자하전장치와 저압 임팩터를 설계, 제작하였고 DMA(Differential Mobility Analyzer)를 사용하여 기화응축 방법으로 단분산 형태의 입자를 발생시켜 성능평가를 수행하였다. 또한 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer) 시스템과 비교 측정을 하여 제작한 간이형 3단 전기적 임팩터의 성능을 확인하였다. The increasing concern of particulate matter effect on human health has created a need to be able to measure, not only the mass concentration of particles but also the size distribution fine particles. The objective of this study is the development of real-time sizing system for measurements of fine particles. Cascade impactor are widely used to collect size classified aerosol. A major disadvantage of this instrument is the required long sampling time. Electrical low pressure impactor has been developed to overcome this advantage and to achieve real-time measurements on the particle size distribution. The instrument consists primarily of a corona charger, low pressure cascade impactor and multi channel electrometer. In this study, we designed and performance evaluation a portable 3-stage electrical low pressure impactor(P-ELI) using an electrical method. For the calibration corona charger and impactor, monodispersed aerosol were generated using evaporation-condensation method followed by electrostatic classification using a DMA(Differential Mobility Analyzer). After the calibration of the charger and the impactor, P-ELI can be evaluated by comparing size distribution measurements with both the P-ELI and SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer). In this work, we guaranteed performance evaluation technic and electrical impactor design for the measurement of particle size distribution and concentration in real-time using electrical method.

산화물 첨가제 및 제조방법에 따른 BaTiO3 계 세라믹스의 전기적 특성

정재영 경기대학교 대학원 2023 국내석사

Relationships between the crystal structural, microstructural characteristics, and electrical properties of the BaTiO3-based ferroelectric ceramics and the effects of oxide additives, Ca2+ contents, and preparation methods were investigated. The effects of oxide additives (Yb2O3, CaCO3, MgO) on the crystal structure and dielectric properties of BaTiO3 ceramics were studied. Since the dielectric constant and capacitance of BaTiO3, which is used as a base material for a capacitor have been changed with temperature, the capacitance stability of BaTiO3 against temperature was controlled with an oxide additive. For the BaTiO3 with ABO3 structure, Yb2O3 as an amphiphilic material which could be substituted into both A- and B- sites, CaCO3 as a depressor of capacitance peaks for temperature, and MgO as shifter for phase transition temperature were selected. Pure BaTiO3 composition (BT), BaTiO3 with 1.0 mol% of Yb2O3 composition (Yb), BaTiO3 with 1.0 mol% of Yb2O3 and 1.0 mol% of MgO composition (YbMg), BaTiO3 with 1.0 mol% of Yb2O3 and 0.3 mol% of CaCO3 composition (YbCa), BaTiO3 with 1.0 mol% of MgO and 0.3 mol% of CaCO3 composition (Mg Ca) were sintered at 1350oC for 1h. All of the compositions except for the Yb and YbCa compositions showed the single phase of BaTiO3 with a perovskite structure. The composition of MgCa and YbMg, which (002) peak and (200) peak at 2θ =44˚~46˚ are merged without peak separation, showed lower tetragonality (c/a) than that of other compositions, and the composition of YbMg showed the lowest tetragonality (c/a) through the entire range of compositions. As a result of analyzing by Rietveld refinement based on the X-ray diffraction pattern, the compositions of YbMg, Yb, and YbCa with a larger unit cell volume than pure BT is due to the (Yb3+=0.868Å, Mg2+=0.720Å, Ca2+=1.340Å) ionic radius of the additive is larger than the ionic radius of Ti4+(=0.605Å). MgCa composition showed a smaller unit cell volume than pure BT due to the smaller ionic radius of Ca2+ (=1.340Å) than that of Ba2+ (=1.610Å). Effects of tetragonality (c/a) and B-site bond valence on the dielectric properties of BaTiO3 with oxide additives (Yb2O3, CaCO3, MgO) were investigated. For the MgCa and YbMg compositions with no secondary phase, the composition YbMg showed a smaller dielectric constant (εr) than that of the composition MgCa due to the larger B-site bond valence and smaller tetragonality (c/a) than those of the composition YbMg. Pure BT and the YbMg composition showed similar B-site bond valence properties, but the dielectric constant of BT was larger than the composition YbMg. These results could be attributed that the length difference between the a- axis and the c-axis of the unit cell of BT was larger than that of YbMg. Temperature coefficient of capacitance (TCC) of the composition YbMg which showed the smallest length difference between the a-axis and the c-axis of the unit cell met the X7R specification proposed by the Electronic Industries Association (EIA). Crystal structural characteristics and electrical properties of (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ) (0≤x≤0.2) ceramics prepared by Citrate-gelation method were investigated as a function of Ca2+ contents. For the BSCTZ prepared by the solid-state reaction method, a high sintering temperature (1550oC) and a low breakdown voltage (BDV=2kV/mm) were reported. For the low sintering temperature and the improvement of breakdown voltage with control of grain size, BSCTZ ceramics were prepared by Citrate-gelation method. For BSCTZ ceramics prepared by Citrate-gelation method were sintered at 1300oC for 3h in air. Citrate-gelation method was employed to improve the breakdown voltage characteristics and to low sintering temperature by controlling the grain size. Single phase of BaTiO3 with a perovskite structure was shown in all compositions except for the x=0.20. From the X-ray diffraction patterns of sintered specimens with x=0.20 the secondary phase of CaTiO3 was detected for the specimens sintered at 1300oC for 3h, however single phase of BaTiO3 was confirmed for the specimens sintered at 1400oC for 3h. The crystal structure of compositions of the 0≤x≤0.15 sintered at 1300oC for 3 h and x=0.20 sintered at 1400oC for 3 h was analyzed by Rietveld refinement based on an X-ray diffraction pattern. With the increase of Ca2+ content, the unit cell volume was decreased due to the cation size effect which is smaller ionic radius of Ca2+ (=1.340Å) and Sr2+(=1.44Å) than that of Ba2+ (=1.610Å). Dielectric properties of (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ) (0≤x≤0.2) ceramics prepared by Citrate-gelation method were investigated by the tetra- gonality (c/a) and B-site bond valance with Ca2+ contents. For the composition of x=0.05, the highest dielectric constant was obtained due to the smallest B-site bond valance which B-site ions can easily deviate from the center of the oxygen octahedron and cause polarization displacement. The tetragonality (c/a) tendency of sintered specimens with x=0.00 and x=0.10 agreed well with the dielectric constant tendency, however, the sintered specimens with x=0.15 and 0.20 showed large tetragonality (c/a) and small dielectric constant due to the large B-site bond valance. With the increase of Ca2+ content, the dielectric loss increased due to the decrease of grain size. BSCTZ (x=0.05) ceramics prepared by Citrate-gelation method and sintered at 1300oC for 3h showed the highest dielectric constant (εr= 20,350) and met the Y5V specification proposed by the Electronic Industries Association (EIA). Electrical properties of (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ) (0≤x≤0.2) ceramics were investigated as a function of the preparation method. For the dielectric properties of CG_BSCTZ prepared by citrate-gelation method (CG) and SSR_BSCTZ prepared by solid-state reaction (SSR), the highest dielectric constant was obtained at x=0.05 in both SSR and CG, and the decreased tendency of the dielectric constant with the increase of Ca2+ contents was obtained for the sintered specimens of CG_BSCTZ and SSR_BSCTZ. For the sintered specimens prepared by both SSR and CG methods, the dielectric loss was increased with the increase of Ca2+ content due to the decrease of grain size which was confirmed through SEM observation. For the comparison of the breakdown voltage (BDV) of the sintered specimens prepared by CG_BSCTZ and SSR_BSCTZ, the breakdown voltage (BDV) of the sintered specimens prepared by CG_BSCTZ was higher than that of SSR_BSCTZ through the entire range of compositions (0≤x≤0.2). Especially, the breakdown voltage of the sintered specimens with x=0.05 prepared by CG_BSCTZ was three times higher than that prepared by SSR_BSCTZ. These results could be attributed that the Citrate-gelation method pro- vides nucleation for powder preparation in a liquid phase, and the sintered specimens showed a smaller grain size and a larger number of grain boundaries than those of the Soild-state reaction method, which was confirmed by the microstructure of SEM. 산화물 첨가제, Ca2+ 함량, 제조 공정의 영향에 따른 강유전체 BaTiO3계 세라믹스의 결정구조 및 미세구조 특성과 전기적 특성의 상관관계를 연구하였다. 산화물 첨가제 (Yb2O3, CaCO3, MgO)가 BaTiO3 세라믹스의 결정구조와 유전 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 캐패시터 (capacitor)의 모재로 활용되는 BaTiO3는 온도변화에 따라 유전율이 변화하여 정전용량이 변화하므로 산화물 첨가제로 BaTiO3의 온도에 대한 안정성을 제어하였다. BaTiO3의 ABO3 구조에서 A-자리와 B-자리 모두 치환되는 양쪽성 물질 (amphoteric material)인 Yb2O3, 온도에 대한 유전율 피크 (peak)의 억제제 (depressor)로써 CaCO3, 상전이 온도를 이동시키는 물질 (shifter)로써 MgO를 선택하여 3종류의 첨가제를 단독 또는 복합 첨가함으로써 4종류의 첨가제 조성과 순수한 BaTiO3의 전기적 특성에 대해 연구하였다. 순수한 BaTiO3 조성 (BT), 모재 BaTiO3에 1.0 mol%의 Yb2O3가 단독 첨가된 조성 (Yb), 모재 BaTiO3에 1.0 mol%의 Yb2O3와 1.0 mol%의 MgO가 복합 첨가된 조성 (YbMg), 모재 BaTiO3에 1.0 mol%의 Yb2O3와 0.3mol%의 CaCO3가 복합 첨가된 조성 (YbCa), 모재 BaTiO3에 1.0 mol%의 MgO와 0.3mol%의 CaCO3가 복합 첨가된 조성 (MgCa)은 모두 1350oC에서 1시간 동안 대기 중에서 소결하였고, Yb와 YbCa 조성을 제외한 모든 조성에서 페롭스카이트(perovskite) 구조를 갖는 BaTiO3 단일상을 나타내었다. 2θ= 44˚-46˚의 (002) 피크와 (200) 피크가 분리되지 않고 합쳐진 MgCa와 YbMg 조성은 tetragonality (c/a)가 다른 조성에 비해 낮은 값을 나타냈으며 특히 YbMg 조성은 전 조성 범위에서 제일 낮은 tetragonality (c/a)를 나타내었다. X-선 회절 패턴을 바탕으로 Rietveld refinement로 분석한 결과 순수한 BT보다 단위정 부피(unit celll volume)가 큰 YbMg, Yb, YbCa 조성은 첨가제의 (Yb3+=0.868Å, Mg2+=0.720Å, Ca2+=1.340Å) 이온반경이 Ti4+(=0.605Å) 이온반경보다 크기 때문이며, 순수한 BT보다 단위정 부피 (unit cell volume)가 작은 MgCa 조성은 Ba2+ (=1.610Å) 이온반경보다 Ca2+ (=1.340Å) 이온반경이 작기 때문이다. 산화물 첨가제 (Yb2O3, CaCO3, MgO)가 고용된 BaTiO3 세라믹스의 te- tragonality (c/a)와 B-자리 결합 원자가 특성이 BaTiO3의 유전 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이차상이 없는 MgCa와 YbMg 조성의 경우 YbMg 조성에서 작은 유전상수(εr) 값을 나타내었는데 이는 YbMg 조성의 B-자리 결합 원자가가 MgCa 조성보다 더 크고 tetragonality (c/a)가 작기 때문이다. 순수한 BT 조성과 YbMg 조성을 비교했을 때, B-자리 결합 원자가에는 큰 차이가 없지만 BT의 유전 상수가 더 큰 이유는 BT조성의 단위정의 a축과 c축의 길이 차이가 YbMg 조성보다 더 크기 때문이다. 단위정의 a축과 c축의 길이 차이가 제일 작은 YbMg 조성의 온도에 따른 정전용량의 변화 (TCC)는 EIA (Electronic Industries Association)가 제시한 X7R 규격을 충족하였다. 시트르산 겔화법으로 제조한 (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ) (0≤x≤0.2) 계 세라믹스의 Ca2+ 함량 변화에 따른 결정구조 특성과 전기적 특성을 연구하였다. 고상소결법으로 제조된 BSCTZ 조성의 경우, 소결조건이 1550oC-6시간으로 매우 높은 소결온도와 2kV/mm의 낮은 파괴전압 (BDV) 특성이 보고되었다. 소결온도를 낮추고 소결 시편의 결정립 크기를 제어하여 파괴전압을 향상하고자 시트르산 겔화법으로 BSCTZ계 세라믹스를 제조하였다. 시트르산 겔화법으로 제조한 BSCTZ 세라믹스는 1300oC에서 3시간 대기 중에서 소결하였다. x=0.20 조성을 제외한 모든 조성에서 페롭스카이트(perovskite) 구조를 갖는 BaTiO3 단일상을 나타내었다. X-선 회절 패턴 분석 결과 x=0.20 조성을 1300oC에서 3시간 소결한 시편에서는 CaTiO3 이차상 피크가 관찰되었지만, 1400oC에서 3시간 소결한 시편에서는 BaTiO3 단일상이 형성되었다. BaTiO3 단일상을 나타내는 1300oC에서 3시간 소결한 0≤x≤0.15 조성과 1400oC에서 3시간 소결한 x=0.20 조성에 대해서, X-선 회절 패턴을 Rietveld refinement로 결정구조를 분석하였다. Ca2+ 함량이 증가함에 따라 단위정 부피는 감소하였는데, 이는 cation size effect로써, Ba2+ (=1.610Å) 이온반경보다 Ca2+ (=1.340Å)과 Sr2+(=1.44Å)의 이온반경이 작기 때문에 단위정 부피가 감소하였기 때문이다. 시트르산 겔화법으로 제조한 (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ)(0≤x≤0.2) 계 세라믹스의 Ca2+함량 변화에 따른 tetragonality (c/a)와 B-자리 결합 원자가로 유전 특성을 조사하였다. x=0.05 조성의 경우 가장 큰 유전상수를 나타내었는데, 이는 B-자리 이온의 결합 원자가가 가장 작아 B-자리 이온이 TiO6 산소팔면체 중심으로부터 쉽게 벗어나 분극 변위를 일으킬 수 있기 때문이다. x=0.00, 0.10 조성의 소결 시편은 tetragonality (c/a) 경향과 유전상수의 경향이 일치하였으나, x=0.15, 0.20 조성의 소결 시편은 tetragonality (c/a) 특성이 크고 유전상수는 작은 값을 나타내었는데 이는 큰 B-자리 이온의 결합 원자가가 크기 때문이다. Ca2+ 함량이 증가함에 따라 유전손실은 증가하였는데 이는 결정립의 크기가 감소했기 때문이다. 시트르산 겔화법으로 제조하고 1300oC 3시간 열처리한 BSCTZ (x=0.05) 세라믹스는 가장 높은 유전상수(εr: 20,350)를 나타내었으며, 온도에 따른 정전용량의 변화 (TCC)는 EIA가 제시한 Y5V 규격을 충족하였다. 제조 공정 변화에 따른 (Ba0.7Sr0.3-xCax)(Ti0.9Zr0.1)O3 (BSCTZ) (0≤x≤ 0.2) 계 세라믹스의 전기적 특성을 연구하였다. 시트르산 겔화법 (Citrate-gelation method, CG)으로 제조된 CG_BSCTZ와 기존에 보고된 고상소결법 (Solid-state reaction, SSR)으로 제조된 SSR_BSCTZ의 유전특성을 비교하였을 때, x=0.05 에서 유전상수 특성이 가장 높고 Ca2+ 함량이 증가함에 따라 CG_BSCTZ와 SSR_BSCTZ의 소결시편 모두의 유전상수는 감소하는 경향을 나타내었다. 유전손실은 두 제조 방법으로 제조된 소결 시편 모두 Ca2+ 함량이 증가함에 따라 증가하였는데, 이는 결정립의 크기가 감소하기 때문이며 미세구조 관찰을 통해 확인하였다. CG_BSCTZ와 SSR_BSCTZ 소결시편의 파괴전압 (BDV)을 비교하였을 때, 전 조성 (0≤x≤0.2) 범위에서 CG_BSCTZ 소결 시편의 파괴전압 (BDV)이 높았다. 특히 x=0.05 조성의 시편의 경우, CG_BSCTZ 소결 시편의 파괴전압 (BDV)이 SSR_BSCTZ보다 3배 이상 높았는데, 이는 고상소결법에 비하여 시트르산 겔화법에서 분체 합성 시 액상에서 핵이 형성되고, 소결 시편은 더 작은 결정립 크기(grain size)와 더 많은 결정립계 (grain boundary)를 갖기 때문이다. 이는 주사 전자 현미경 (SEM) 미세구조를 통해 확인하였다.

성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에 관한 연구

이창은 건국대학교 대학원 2004 국내박사

한글초록:현재 이동 통신 시스템에 사용되는 기지국용 안테나는 수직 패턴의 형태에 따라 크게 5가지로 분류될 수 있다. 첫 번째는 높은 이득과 좁은 수직 빔 폭(beam width)을 갖는 안테나이며, 이는 개활지와 같이 넓은 커버리지(coverage)가 요구될 때에 사용된다. 이 패턴은 거의 균일한 전력 분배비로 설계되며, 높은 부엽(side lobe) 크기를 갖는다. 두 번째는 상측의 부엽을 억압한 복사 패턴을 갖는 경우이다. 자기 셀(cell) 내로 복사되는 하측 부엽과는 달리, 상측 부엽으로부터 복사되는 전력은 인접 셀에 간섭을 야기하며, 이로 인해 주파수 재사용 거리(frequency reuse distance) 등에도 악영향을 끼친다. 따라서, 이러한 불필요한 간섭을 줄이기 위하여, 상측 부엽이 억압된 패턴이 요구된다. 그러나, 모든 상측 부엽의 억압은 주엽(main lobe)의 빔 폭을 크게 변화시킬 수 있으므로, 제한적인 각도의 상측 부엽만을 억압하는 것이 일반적이다[1]. 세 번째는 하측의 널(null)이 널 필링(null filling)된 수직 패턴을 갖는 안테나이며, 이는 복사 패턴의 널로 인한 통신 품질의 열화를 방지하고자 하는 목적을 갖는다. 복사 패턴의 널 지역에 있는 가입자는 낮은 수신 전력을 받게 되며, 또한 전력 제어 과정에 의해서 다른 가입자에 비해 보다 큰 전력을 송신하게 된다. 이는 기지국의 용량 감소를 야기하게 되며, 그리고 인접 기지국에 대한 간섭 신호로 작용한다[2]. 네 번째는 코시컨트 제곱 패턴(cosecant square pattern)을 갖는 경우이며, 이는 커버리지 내의 모든 단말기의 수신 신호가 기지국과의 거리와는 무관하게 일정하도록 설계된 복사 패턴이다. 이 경우에 전력 분배비의 테이퍼(taper)가 심하므로, 안테나의 이득 감소가 심하다는 단점이 있다[1]. 다섯 번째는 전기적인 다운 틸팅 안테나(electrical down tilting antenna)이다. 기지국 안테나를 다운 틸팅(down tilting)하면, 안테나의 복사 전력이 커버리지 영역 내로 제한되고, 또한 인접 기지국에서 발생되는 신호의 간섭이 감소되며, 이로 인해 시스템 용량이 증대되는 효과가 나타난다[3]. 또한, 전기적인 다운 틸팅의 경우에는, 모든 방위각에 대해서 복사 빔의 틸팅 각이 동일하게 유지되며, 따라서 수평 패턴의 형태 및 빔 폭이 틸팅 각과는 관계없이 일정하게 유지된다. 이러한 장점은 핸드 오프 영역(hand off)의 조정을 용이하게 하며, 따라서 핸드 오프로 인하여 많은 자원을 낭비하고 있는 도심지에서 보다 큰 효과를 나타낼 수 있다[4,5,6]. 그러나, 전기적인 다운 틸팅 안테나는 빔 틸트 시에 상측 부엽이 수평면 쪽으로 이동하게 되므로, 패턴 설계 시에 상측 부엽에 대한 보다 세밀한 주의가 필요하다. 기지국 안테나의 설계에 있어서, 위의 5가지의 수직 패턴이 단독으로 적용되기도 하며, 또는 안테나가 사용되는 곳의 전파 환경에 따라서 복합적으로도 적용될 수 있다. 상측 부엽이 억압된 패턴이나 널 필링 패턴 그리고, 코시컨트 제곱의 패턴은 모두 성형 빔(shaped beam)의 영역에 속하므로, 안테나의 패턴 합성법에 의해 설계되며, 또한, 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에는 위상 배열 안테나 기술이 적용된다.본 논문에서는 성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나를 설계 및 제작하였다. 이는 상측 부엽이 억압되고, 하측 널이 널 필링된 복합적인 수직 패턴을 가지며, 또한, 수직면 상에서 최대 빔 방향의 가변이 가능한 기지국용의 안테나이다. 그리고, 설계하고자 하는 안테나는 편파 다이버시티 (polarization diversity) 시스템에 적용될 수 있도록 45의 이중 편파의 성능을 갖는다. 성형 빔 설계는 엘리엇 (R. S. Elliott)의 패턴 합성법들을 순차적으로 적용하여 수행하였으며, 매쓰매티카(mathematica)로 작성한 프로그램을 이용하여 안테나의 급전 계수(excitation coefficient)를 구하였다. 또한, 위상 배열 안테나 기술을 적용하여 전기적인 다운 틸팅 기능을 구현하였다. 복사 소자로는 광대역의 특성을 갖는 구조인 정방형의 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)를 채택하여 설계하였으며, 편파 특성 및 단자간 분리도의 개선을 위하여 balanced-feed 기법을 사용하였다. 위상 천이기로는 variable dielectric strip-line phase shifter를 기본 구조로 하는 제품을 사용하였으며, 이 구조는 연속적인 위상 천이가 가능하며, 또한, 높은 전력의 구동이 가능하다는 장점이 있다. 그리고, 이 제품은 하나의 원형 하우징(housing) 안에 집적된 복수 개의 위상 천이 선로가 서로 간에 등비(等比)의 위상 변화량을 갖도록 설계되었으며, 따라서 위상 배열 안테나의 실제 제작에 적합한 제품이다. 다운 틸팅 범위는 도심 내의 작은 셀 반경을 고려하여 충분한 각도인 14까지 가능하게끔 설정하였으며, 설계 및 제작은 셀룰라 대역 (824~894MHz)을 목표로 하였다.본 연구 논문은 총 5장으로 구성되었다. 2장에서는 기지국 안테나에 적용될 수 있는 패턴 합성법을 고찰하였으며, 매쓰매티카로 작성된 프로그램을 사용하여 각 합성법에 대한 결과 패턴을 예시하였다. 3장에서는 안테나의 설계와 제작 과정을 서술하였다. 우선 목표 규격을 보였으며, 안테나의 전체 구조에 대한 설계 과정을 설명하였다. 그리고, 복사 소자인 적층형 패치 안테나의 구조를 제안하였으며, 시뮬레이션과 측정을 통하여 복사 소자를 설계하였다. 또한, 분배비의 구현에 사용되는 5-way 전력 분배기를 설계 및 제작하였다. 4장에서는 제작된 안테나의 측정 결과를 보였으며, 이 결과에 대해 고찰하였다. 결론인 5장에서는 본 연구에서 수행한 성형 빔 패턴을 갖는 전기적인 다운 틸팅 안테나의 설계에 대한 연구 결과와 의의에 대해 서술하였다. 그리고, 부록에 패턴 합성을 위해 작성된 프로그램을 첨부하였다 영문초록:When down tilting base station antenna, the radiated power from the antenna is confined in the coverage region and the interference with adjacent base stations is decreased, therefore the capacity of system is increased. And in the case of electrical down tilting applying phased array theory, horizontal HPBW and the pattern shape is kept constant with down tilting, but mechanical down tilting is not. This advantage makes a control of hand-off region be easy and then it is more effective in urban. But in beam tilting, the first upper side lobe moves to the horizontal plane and it may affect adjacent other cells. For this reason, the synthesis of vertical pattern with suppressed upper side lobe is needed on the design of electrical down tilting antenna. In this thesis, electrical down tilting antenna for base station with shaped beam pattern that is suppressed upper side lobe and is with null filling of lower nulls is designed and fabricated. And the antenna can be driven dual polarization. The pattern synthesis methods proposed by R. S. Elliott is used sequentially and using programs drawing up by Mathematica, the excitation coefficient of array is calculated. The frequency band of the design is cellular band (824~894MHz). The stacked microstrip patch that has broad bandwith is used as a radiated element and the balanced feed technique is applied to improve isolation between ports and discrimination of cross polarization. The Fabricated single radiator has frequency bandwidth about 12% (VSWR<1.5) and isolation between ports of Max. -34dB and horizontal beam width of 63°~66°. The 5-way divider that is based on the circuit of lossless divider is designed for realizing of the excitation coefficient of antenna. The phase shifter for electrical down tilting is the type of modified variable dielectric strip-line phase shifter and a continuous phase shifting and a driving of high power is possible. To verify low side lobe and null filling, pattern measurement of the fabricated antenna is carried out in anechoic chamber larger than a twice of far-field distance. Measured results show horizontal beam width of 65°~67°, gain of Min.13.3dBi and CPR of -18dB that proves the effect of the balanced-feed technique. And the antenna has down tilting range from 0°to 14°, and vertical beam width of 14°~16.4°. The first side lobe is suppressed to Max. -23dB successfully and null filling performance is favorable overall