금속 미세유체 반응시스템 기반 단수명 중간체의 반응 시간 제어에 의한 고속합성화학

이현재 포항공과대학교 일반대학원 (화학공학과) 2019 국내박사

이 논문은 금속 미세유체 반응시스템에서 정밀한 반응시간 제어를 통해 불안정한 중간체를 활용한 고속 합성 화학과 그의 응용에 관한 연구 결과이다. 미세유체 반응기를 활용한 연속 흐름 공정은 미세 채널의 고유한 특성 (높은 표면 대 부피 비율) 때문에 매우 효율적이고 빠른 열/물질 전달 및 높은 혼합효율을 쉽게 달성할 수 있게 해주며, 이러한 장점들 때문에 제약 산업뿐 아니라 유기 합성 연구 분야에서도 최근 수년 동안 합성 공정의 강력한 무기로 주목 받고 있다. 유명 제약 회사 및 화학 합성 회사들은 실질적인 공정 운영에 직접적으로 도입하여 독성 및 폭발성 있는 고위험군 물질의 합성 또는 고부가 가치 화합물의 생산 시스템을 개발하고 있다. 미세 유체 반응기 내에서의 반응 시간은 반응기 내부 유체의 체류 시간으로 정의할 수 있으며, 이는 반응물(reagent)의 유입구로부터 반응 종료 물질(quenching agent)의 유입구까지의 반응 채널 길이의 조절 및 유체의 유속 제어로 아주 정밀하게 조절될 수 있다. 이러한 반응 시간 및 반응 조건의 정밀한 제어는 기존 초자 반응기로는 구현이 불가능한 불안정한 반응 중간체의 제어 및 활용을 가능케 하였을 뿐만 아니라, 새로운 유기 합성 화학 메커니즘 연구 및 합성 루트 연구 분야에도 큰 영향을 끼쳤다. 따라서 본 연구에 구성된 장(chapter)에서는 금속 미세유체 반응기를 활용하여 기존 플라스크 반응에서는 구현하기 어려운 다양한 불안정한 유기금속 반응 중간체를 생성하고, 이들을 활용해 다양한 물질을 합성하는 응용 연구 및 개발 기술을 다루고자 하였다. 첫 번째 장에서는 기존 플라스크 반응과 마이크로 반응기를 활용한 연속흐름 공정의 비교를 통해 마이크로 반응의 장점 및 특징에 대해 다루고, 정밀한 반응 시간 제어를 통한 고속합성화학으로의 확장에 대하여 정리하였다. 그리고, 최근 3D 프린팅 방식을 활용한 미세유체 반응기를 제작하는 추세에 대하여 소개하였다. 두 번째 장에서는 미세유체 반응기를 통해 활성 시간이 매우 짧은 o-리티오페닐아이소싸이오시아네이트 중간체를 생성하고 분리단계 없는 통합 미세유체 반응을 통해 생물학적으로 약리 활성을 갖는 치오퀴나졸리논의 합성에 대하여 기술하였다. 체류시간을 16밀리초로 제어하여 반응 중간체의 분해 전에 연속적 합성에 활용하였고, 전체 3단계의 연속 반응을 10초 이내의 짧은 시간동안 다양한 치오퀴나졸리논 유도체를 높은 수율 (75~85%)로 합성하였다. 뿐만 아니라 미세유체 반응 시스템의 일반적인 개념을 벗어난 그램 스케일의 합성을 시도하여, 실제 구동 시간 5분동안 1.25 g의 치오퀴나졸리논 화합물을 합성할 수 있었다. 세 번째 장에서는 그라파이트 특성의 특유의 성질과 탄소나노튜브의 상향 합성 가능성으로 많은 관심을 받는 기능성 탄소 재료인 사이클로파라페닐렌 (CPP)의 새로운 합성 공정의 개발에 대하여 기술하였다. 일반적으로 총 수율 20% 미만의 9단계 이상 반응 스텝이 필요한 탄소 재료 CPP의 새로운 합성법을 유체 반응기의 도움을 받아 개발하였다. 2단계의 유체 반응을 통해 68%의 높은 수율로 CPP의 전구체 합성에 성공하였으며, 두 개의 키톤을 가지는 화합물과 유기 리튬의 고혹 혼합을 통해 선택적인 첨가 반응을 구현할 수 있었다. 총 4단계만을 필요로 하는 보고된 공정 중 가장 간단한 CPP 합성법을 개발 할 수 있었다. 네 번째 장에서는 미세 유체 반응을 통해 3개의 반응 중간체를 경유하는 이성질화 반응의 제어를 통한 선택적 합성법의 개발에 대하여 기술하였다. 화학적 선택성의 통제는 화학 합성에 있어 중요한 문제들 중 하나이다. 다수의 이성질화가 일어나는 경우, 일반적으로 다중 매개체의 생성으로 인해 높은 선택성을 제어하기 어렵다. 유체 반응기 내에서 불안정한 반응 중간체의 두 번의 이성질화 반응을 정밀한 시간을 제어를 통해 각각의 이성질체를 선택적으로 합성할 수 있었다. 다양한 치환체를 가지는 4가지 기질에 따른 이성질화 반응 속도를 연구하였고, 다양한 친전자체와 반응을 통해 다양한 이성질체를 선택적으로 합성하였다. 또한 이성질화 반응의 제어를 통해 두 가지 친전자체를 동시에 도입 가능한 합성법을 개발하였다. 다섯 번째 장에서는 연속적 유체반응 공정을 통해 이부프로펜의 합성에 대하여 기술하였다. 이부프로펜의 3단계 흐름 합성 공정을 바탕으로 LICKOR 타입의 superbase를 사용하여 벤질 음이온 중간체의 생성을 달성하고, 정밀하게 제어할 수 있었다. 파라 자일렌을 시작물질로 superbase를 활용하여 연속적 메틸화, 아이소프로필화, 이산화탄소와의 단계 반응을 통해 이부프로펜의 합성 기술을 개발하였다. 반응 공간 조절 및 유속 제어를 통해 혼합 효율 및 반응 시간을 제어하였고, 농도, 용매, 염기의 조합 등 다양한 반응 조건 및 반응 온도, 시간을 100여가지의 실험을 통해 용매와의 경쟁적인 부작용을 억제하고 최적화 할 수 있었다. 3번째 단계에서 반응성이 높은 금속화된 (메탈화된) 중간체와 이산화탄소 사이의 효율적인 기체-액체 반응을 달성하고, 10분간의 실질적인 구동을 통해 2.3 g의 이부프로펜을 합성 할 수 있었다. 여섯 번째 장에서는 마이크로초 단위의 분자 내에서의 재배열 반응 (음이온 Fries rearrangement)의 선택적 조절을 제어하기 위해, 삼차원 프린팅 방식을 활용한 매우 작은 볼륨의 고효율 혼합 금속 미세유체 반응기의 제작에 관하여 기술하였다. 시뮬레이션을 통해 직사각형, 꺾인 구조, 원형의 다양한 채널에 관한 혼합 효율을 확인하였고, 그 구조체들을 구현하기 위해 삼차원 프린팅 기술을 활용하여 금속 미세유체 반응기를 제작하였다. 특히, 높은 혼합효율을 갖는 원형 채널을 통해 기존에 보고된 Fries rearrangement 제어의 효율을 더 높이 끌어올릴 수 있었다. Continuous-flow microreaction technology has been recognized as powerful tools for chemical synthetic field as well as pharmaceutical industries and the specific characteristic features of continuous- flow reactions have been studied in various applied synthetic chemistry researches in recent years. In the viewpoint of chemical synthesis, the continuous flow synthesis has also been implemented for the reaction integration and green sustainable synthesis. One of the features of the flow microreactor, small channel dimensions with high surface-area-to-volume ratio can easily accomplish highly efficient heat/mass exchange and excellent mixing efficiency. The reaction time in the flow microreactor can be defined as the residence time of the solution in the reactor channel between inlet of reagent and the quenching solution of inlet. Accordingly, the reaction time can be controlled by the residence time, which can be precisely controlled by the length with diameter (volume) of the reactor’s channel or tube between the reagent inlet and quencher inlet and flow rate. In the flow microreactor, the precise control of the reaction conditions can be easily achieved and opens the possibility of handling and utilizing highly unstable intermediates. The goal of present work demonstrates to utilization of unstable organometallic intermediates by precise control of reaction condition via various metal flow microreactors. The utilization of ultrafast chemistry can be suggested in not only research area but also industrial area. The practical applications of the precise reaction control have been demonstrated with five types of chapters. In chapter 2, the synthesis of biologically active thioquinazolinones in a microreactor with short-lived intermediates is described. The pharmaceutical compounds are synthesized through a microreactor with short-lived intermediates because of fast flow for high throughput and of sequential utilization of the intermediates for building a library efficiently in a short time. Here we present an integrated microfluidic synthesis of biologically active thioquinaolinone libraries. Generation of o-lithiophenylisothiocyanate and subsequent reaction with aryl isocyanate is optimized by controlling the residence time to 16 ms at room temperature. Various S-benzylic thioquinazolinone derivatives are synthesized within 10 s in high yields (75~98%) at room temperature by three-step reactions involving two organolithium intermediates, isothiocyanate-functinalized aryllithium intermediate and subsequent lithium thiolate intermediate. In chapter 3, the development of a flow-assisted novel synthetic process of functional carbon-based material, cycloparaphenylene(CPP) is presented. CPP has been recognized as an attractive template for the bottom-up synthesis of carbon nanotubes with uniform diameter, and is important for the chemistry of graphitic as well as ring-shaped macromolecules. However, the reported routes from halogenated benzenes have suffered from low yields even under time- and labor-consuming multistep conditions. Herein we report a flow-assisted synthesis of [10]CPP in four steps under mild conditions. For the synthesis, a selective nucleophilic addition of the unprotected diketone without the double-added byproduct was achieved within 3 s in high yield. Subsequently, the obtained compound was reacted with dilithiated benzene at 25 ºC to form a U-shaped precursor for CPP in a separate microreactor, which was finally dimerized and aromatized to obtain [10]CPP by a two-step in-flask reaction. Precise control of time and flow facilitated by the flow-assisted system enabled the development of an efficient synthetic route for [10]CPP. In chapter 4, a flow-assisted control of sequential isomerization via three intermediates is demonstrated. Simultaneous tandem changes of chemical species are typically difficult to control with high selectivity, as they are proceeded through multiple types of intermediates. It is desirable to develop the novel synthetic method by controlling their momentary transformation in a selective manner. Herein, we report a flow-assisted platform for controlling the sequential isomerization of o-lithiated aryl benzyl ethers in serial intramolecular reactions of deprotonation and Wittig rearrangement under mild condition. The variation of residence times in a flow microreactor was critical to control the sequential isomerizations of three intermediates upon generating the lithiated aryl ether. In addition, reaction kinetics of four different aryl benzyl ethers were investigated to demonstrate the selective control of isomer synthesis. Furthermore, dual functionalization of the aryl benzyl ether was successfully performed via sequential microreactions with two kinds of electrophiles. In chapter 5, the flow synthesis of ibuprofen by regioselective C-H metalation is described. Ibuprofen was prepared from an inactive and inexpensive p-xylene by 3-step flow functionalizations through regioselective metalations of benzyl positions in sequence using an in-situ generated LICKOR-type superbase. The flow approach in the microreactor facilitated to comprehensively explore over 100 conditions in the first-step reaction by varying concentrations, temperatures, solvents, and equivalents of reagents, enabling to find the optimal condition with 95% yield by significantly suppressing the formation of byproducts, followed by the second C–H metalation step in 95% yield. Moreover, gram-scale synthesis of ibuprofen in the final step was achieved by biphasic flow reaction of solution-phase intermediate with CO2, isolating 2.3g for 10 min of operation time. In chapter 6, a 3D printed stainless steel metal microreactor for submili-second chemistry with high mixing efficiency is presented. A high-resolution 3D-printed metal microfluidic device was fabricated to achieve the precise time control with high mixing efficiency that is necessary to control intramolecular rearrangement reactions. Computational fluid dynamics calculations determined that mixing efficiencies achieved were 85% for a serpentine channel with rectangular cross-section and 93% for a channel with circular cross-section. Microreactors that have the desired structures were manufactured by 3D printing technique and microlaser sintering. The rapid anionic [1,3] Fries rearrangement reaction was selectively controlled in each 3D printed flow reactor by suppressing production of the rearranged by-product. Moreover, the rearrangement of an aryl compound that bears a sterically small acetyl group was successfully controlled to achieve 83% yield by using the microreactor that had a channel that had circular cross-section.

멀티코어 시스템 설계를 위한 트레이싱 기반 태스크 그래프 추출

한소담 포항공과대학교 일반대학원 2017 국내석사

The task graph is a graphical representation of the dependencies among the tasks running on the system. The task graph consists of tasks (nodes) and dependencies (edges). A task is a unit of execution and a task dependency shows which task can be executed before and after execution of a given task. Typically, task graphs are used for evaluating CPU scheduling algorithms. There are several requirements which task graphs have to satisfy to be used for evaluating CPU scheduling algorithms. First of all, task granularity needs to be determined by considering CPU scheduling behavior of the real multicore system. Also, task parallelism needs to be accurately modelled to precisely describe CPU allocation of tasks which are in parallel relations. Furthermore, because up-to-date mobile devices generally contain multiple cores, CPU scheduling algorithms are required to be suitable for daily scenarios, which are frequently running on the mobile devices. Therefore, task graphs of daily scenarios are necessary. This thesis proposes a new method to extract task graphs using kernel tracing. The proposed method extracts task graphs of scenarios running on the Android-based multicore systems. It is the first approach which extracts task graphs which are suitable to be applied to the systems that mainly manage dynamic workloads. The task graph extracted by the proposed method contains dependence relations among tasks, information on thread-level system behavior triggered by interrupts, and resource usage of tasks. To provide task graphs which are suitable for evaluating CPU scheduling algorithms, the proposed method extracts the task graph by analyzing CPU scheduling behavior monitored by kernel tracing, without source code. The proposed method extracts a task graph of a target scenario through four functional blocks: kernel tracing, task dependency extraction, interrupt modeling, and resource calculation. At first, the kernel tracing block monitors CPU scheduling-related kernel events during execution of the target scenario. Secondly, the task dependency extraction block extracts dependence relations among tasks and task parallelism. Thirdly, the interrupt modeling block models thread-level system behavior triggered by interrupts, which occur during execution of the whole target scenario. Finally, the resource calculation block calculates CPU workload and I/O waiting time to describe resource usage of each task. In the proposed method, analysis of wake up events is a main idea to extract task graphs. Wake up event is one of kernel events, which wakes up a sleeping thread. Generally, wake up event for a certain thread is requested by another thread or an interrupt which causes the target thread to be allocated to a CPU. By analyzing wake up events, the proposed method identifies relations among tasks and performs interrupt modeling. Also, in this thesis, the concept preceding workload is introduced to describe task parallelism precisely. When two tasks have a dependency, the preceding workload is defined as the amount of CPU workloads the source task must complete before the destination task becomes runnable. The proposed method extracts task graphs of a wide range of scenarios which can be performed on the Android-based multicore system, including daily scenarios. Also, the proposed method reflects the real CPU scheduling behavior to extract task graphs. Using the proposed method, the practical and accurate evaluation of the CPU scheduling algorithms would be possible. This method would also help to develop system management policies which need to actively communicate with the CPU scheduler in the system. In this point of view, the proposed method would contribute to the improvement of efficiency of the multicore system design. Task graph란 시스템 상에서 수행되는 task 간의 dependency를 그래프로 나타낸 것이다. Task graph는 task를 나타내는 node와 task 간의 dependency를 나타내는 edge로 구성되어 있다. Task는 시스템 내 실행 단위를 의미하고, task dependency는 임의의 task의 실행 전후에 어떤 task가 수행되어야 하는가를 보여준다. 일반적으로 task graph는 CPU scheduling 알고리즘들을 평가하는데 사용된다. Task graph가 CPU scheduling 알고리즘들을 평가하는데 사용되기 위해서는 충족시켜야 하는 몇 가지 요구사항이 있다. 먼저, task의 granularity가 실제 multicore system 상에서의 CPU scheduling 동작을 고려하여 결정되어야 한다. 또한, 병렬 관계에 있는 task들의 CPU 할당을 보다 상세하게 묘사하기 위해 task의 병렬성이 정확하게 모델링되어야 한다. 더 나아가, 최신 mobile device들은 일반적으로 다수의 코어들을 포함하고 있기 때문에, CPU scheduling 알고리즘들은 mobile device 상에서 빈번하게 수행되는 일상 시나리오들에 적합해야 한다. 따라서 이러한 일상 시나리오들에 대한 task graph가 필요하다. 본 논문에서는 kernel tracing을 사용하여 task graph를 추출하는 새로운 방법은 제안한다. 제안하는 방법은 안드로이드 기반의 multicore system 상에서 수행되는 시나리오들의 task graph를 추출한다. 본 논문은 최초로 dynamic workload를 주로 다루는 시스템을 위한 task graph를 추출하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법을 통해 추출된 task graph는 task간의 dependency, 인터럽트에 의해 발생한 thread 레벨에서의 시스템 동작 관련 정보, 그리고 task들의 resource usage 정보를 포함한다. Dynamic workload를 다루는 multicore system에 적용하기에 보다 적합한 task graph를 제공하기 위해, 제안하는 방법은 소스 코드를 사용하지 않고, kernel tracing을 통해 run-time CPU scheduling 동작을 모니터링 한 후 이를 분석하여 task graph를 추출한다. 제안하는 방법은 kernel tracing, task dependency extraction, interrupt modeling, 그리고 resource calculation의 네 개의 블록으로 구성되어 있다. 먼저 kernel tracing 블록은 타겟 시나리오가 수행되는 도중 발생하는 CPU scheduling 관련 kernel 이벤트들을 모니터링한다. 두 번째로 task dependency extraction 블록은 task간의 dependency를 추출하고 task의 병렬성을 모델링한다. 세 번째로 interrupt modeling 블록은 타겟 시나리오가 수행되는 동안 발생한 인터럽트들로 인한 시스템 동작들을 thread 레벨로 모델링한다. 마지막으로 resource calculation 블록은 각 task의 CPU workload 및 I/O waiting time을 계산한다. 제안하는 방법은 wake up 이벤트에 대한 분석을 기반으로 task graph를 추출한다. wake up 이벤트는 커널 이벤트 중 하나로써 자고 있는 thread를 깨운다. 일반적으로 임의의 thread에 대한 wake up 이벤트는 타겟 thread가 CPU에 할당되는 조건을 방생시킨 또 다른 thread나 인터럽트에 의해 요청된다. 제안하는 방법은 wake up 이벤트들을 분석함으로써 task 간의 관계를 파악하고 interrupt modeling을 수행한다. 또한 본 논문에서는 task간의 병렬성을 좀 더 상세하게 묘사하기 위해 preceding workload라는 개념을 정의하였다. Preceding workload란 두 개의 task 사이에 dependency가 존재할 때, destination task가 runnable해지기 전에 source task가 처리해야 하는 CPU workload의 양을 의미한다. 제안하는 방법은 안드로이드 기반의 multicore system 상에서 수행되는 다양한 시나리오들의 task graph들을 추출한다. 또한 제안하는 방법은 타겟 시나리오가 수행될 때 발생하는 실제 CPU scheduling 동작을 반영하여 task graph를 추출한다. 제안하는 방법은 좀 더 실용적이고 보다 정확한 CPU scheduling 알고리즘 성능 평가를 가능하게 하고, 더 나아가 시스템 내 CPU scheduler와의 활발한 교류를 필요로 하는 system management 정책들을 개발하는 데 도움을 준다. 따라서 제안하는 방법은 멀티코어 시스템 설계의 효율을 향상시킨다.

Quantum Entanglement and Atypical Quantum Operations in Quantum Information : 양자 정보에 사용되는 양자 얽힘과 특이한 양자 연산에 관한 연구

임향택 포항공과대학교 일반대학원 2015 국내박사

Since quantum physics was introduced in the beginning of 20th century, this new paradigm of science has developed human technology. Whereas, even the nano-scale (nano-meter sized) electronics is being used in the 21th century, the current information technology is still based on classical information science. Two decades ago, physicists started to study the next generation of information science, so-called quantum information science (information science based on quantum theory). This new information science is based on peculiar quantum principles: superposition of quantum states and entanglement. In this thesis, I experimentally study quantum information science in both fundamental and practical aspects based on photonic systems. On the first part of the thesis, I discuss how to detect entanglement of quantum states based on the partial transpose. Entanglement is considered as a key resource for implementing quantum information protocols such as quantum computation and quantum communications. Hence, determining whether a certain quantum state is entangled or not is one of the most important issues in quantum information science. One way to detect entanglement is applying the partial transpose to quantum states, however, the partial transpose is not a physical operation, meaning that it cannot be realized in a laboratory. In order to bypass this problem, I implement the approximated form of the transpose and the partial transpose based on the structural physical approximation. In addition, I demonstrate the experimental entanglement detection using this approximated partial transpose operation. On the second part of the thesis, I discuss the characteristics of general ized quantum measurements. In general, measurement process does not need to change the physical systems in classical physics; however, extracting information about the quantum systems of interest by quantum measurement process inevitably affects the quantum states. In quantum measurement theory, as the information gain by measurement increases, the state disturbance becomes larger, while the reversibility becomes smaller. Hence, the fundamental trade-off relations among the information gain, the state disturbance, and the reversibility are naturally introduced. Here, I implement the optimal measurements giving the maximum information gain with either the minimum state disturbance (the minimum disturbance measurement, MDM) or the maximum reversibility (the maximum reversibility measurement, XRM). In addition, interestingly, I experimentally demonstrate that the XRM is necessary condition for the MDM. On the last part of the thesis, I study various kinds of decoherence mechanisms, and propose various methods to suppress decoherence. Decoherence causes loss of entanglement and coherence, thus, it is an obstacle for practical quantum information processing and needs to be suppressed. First of all, I experimentally demonstrate the amplitude damping decoherence can be effectively suppressed by using a pair of weak and reversing measurements (types of the generalized measurements). Based on this scheme, I show that entanglement sudden death can be avoided, and the exchange symmetry of the local operations on entangled states is broken by decoherence. Then, I propose another decoherence suppression scheme using quantum transduction, and I experimentally demonstrate that two-qubit entangled states are not affected by decoherence and still preserve the initial entanglement after transmitting through either of amplitude damping or polarization mode dispersion decoherence. Finally, I calculate how polarization mode dispersion decoherence affects the two-photon polarization entangled state, which are prepared via spontaneous parametric down conversion (SPDC) process. I find that the bandwidths of the pump and the down-converted photons are important parameters of the entanglement degradation behavior. 20세기 초 양자 물리학이 등장한 이후로, 이 새로운 과학의 패러다임은 인류 의 기술을 비약적으로 발전시켰다. 그러나, 현재 21세기의 대표적인 기술인 나 노미터 규모의 전자 기술이 사용되고 있음에도 불구하고 현재의 정보 기술은 아 직 고전 정보 과학에 기반을 두고 있다. 약 20여넌 전부터 물리학자들은 차세대 양자 과학으로 여겨지는 양자 정보 과학(양자 이론을 기반으로 한 정보 과학)에 주목하기 시작하였다. 이 새로운 정보 과학은 기존의 고전 이론으로는 설명되지 않는 새로운 양자 원리, 즉, 양자 상태의 중첩 및 양자 얽힘에 기반을 두고 있다. 본 학위 논문에서는 양자 정보 분야의 다양한 주제들에 대하여 근본적인 방향과 실용적인 방향 모두에서부터 접근한 연구를 광자 기반의 실험을 통하여 다루고 있다. 본 학위 논문의 첫 번째 부분에서는 먼저 부분 전치 연산을 이용한 양자상태 의얽힘여부측정에관하여다룰것이다. 양자얽힘은양자전산,양자통신등의 양자 정보 프로토콜을 구현하는 데 필수적인 자원이므로, 특정 양자 상태가 얽힘 을 가지고 있는지의 여부를 판단하는 것은 양자 정보 과학에서 가장 중요한 문제 중 하나이다. 양자 얽힘을 측정하는 대표적인 방법 중 하나는 양자상태에 부분 전치 연산을 적용하는 것인데, 부분 전치 연산은 비물리적 연산이기 때문에 실제 실험으로구현할수없다. 이러한문제를피하기위하여,구조물리적근사방 법을 이용하여 전치 연산 및 부분 전치 연산의 근사된 형태를 구현하였다. 또한, 이렇게구현된근사부분전치연산이실제로양자얽힘을측정하는데사용될수 있음을 실험을 통하여 구현하였다. 본 학위 논문의 두 번째 부분에서는 일반화된 양자 측정이 갖는 특성에 대하 여 연구하였다. 일반적으로 고전 물리학에서는 측정을 하는 과정이 물리계에 영 향을 미치지 않으나, 양자 물리학에서는 측정을 통해 물리계에 대한 정보를 얻게 되면 필연적으로 양자 측정에 의해 양자상태가 영향을 받게 된다. 양자 측정론에 따르면, 측정을 통한 정보 이득의 양이 많아짐에 따라, 양자 상태의 교란은 증가 하고 측정 되돌림 확률은 감소하게 된다. 이처럼, 양자 측정에서는 정보 이득, 상태 교란, 그리고 측정 되돌림 확률 사이에 근본적인 상호 교환의 관계가 존재 한다. 본논문에서는주어진정보이득의양에대하여최소의상태교란을수반 하는 최소 교란 측정과 최대의 측정 되돌림 확률을 주는 최대 되돌림성 측정을 구현하였다. 또한, 더 나아가 최대 되돌림성 측정은 최소 교란 측정이 되기 위한 필요조건임을 실험적으로 증명하였다. 본 학위 논문의 마지막 부분에서는 다양한 종류의 결어긋남 현상의 매커니즘 에 관하여 연구하였으며, 결어긋남 현상의 영향을 줄일 수 있는 다양한 방법을 제 안하였다. 결어긋남은 양자 상태의 얽힘 및 결맞음성의 감소를 초래하기 때문에 양자 정보 처리과정에 큰 지장을 주는 것으로 알려져 있으므로 그 영향을 최대한 줄여야 한다. 먼저, 한 쌍의 약한 측정과 되돌림 측정(일반화된 양자 측정의 한 예)을 이용하여 진폭 감쇠 결어긋남 현상이 효과적으로 억제될 수 있음을 보였다. 그리고 이 결과를 바탕으로 양자 얽힘 급사 현상을 막을 수 있음을 보였으며, 더 나아가 양자 얽힘 상태에 존재하는 국소 연산의 교환 대칭성이 결어긋남 현상에 의해서 사라질 수 있음을 확인하였다. 그리고, 양자 변환을 이용하여 결어긋남 현상을 억제하는 새로운 방법을 제안하였으며, 두 개의 큐비트로 구성된 양자 얽 힘 상태가 진폭 감쇠 결어긋남과 편광 모드 분산 결어긋남에 의한 영향을 받지 않고, 결어긋남 현상을 겪은 이후에도 여전히 초기의 양자 얽힘을 보존하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 마지막으로 편광 모드 분산이 자발매개하향변환을 통 해 준비된 두 광자의 편광 얽힘 상태에 미치는 영향에 대해 계산하였으며, 이를 통하여 펌프 광자와 하향 변환된 광자들이 갖는 진동수의 대역폭이 편광 모드 분 산에 의한 양자 얽힘 감소에 관련된 중요한 매개 변수임을 확인하였다.

The design of all-dielectric metasurface for selectively blocking Near-Infrared region of solar spectrum

김은종 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내석사

Blocking near-infrared region (NIR) is indispensable for saving energy consumed to maintain an interior temperature in buildings. The methods of blocking NIR are divided into two types. One is blocking NIR without visible light for applying to windows. The other is blocking the overall solar spectrum including visible light because the visible light accounts for 45% in the solar spectrum. Thus, we designed the metasurface of two types, respectively. In the transparent metasurface blocking NIR, simultaneously enhancing transmission in visible light and blocking in NIR remains challenging. Here, we demonstrate the trans-parent all-dielectric metasurface selectively blocking the NIR by using TiO2 nanocylinder and ITO layer. The ITO layer is implemented as a back reflector because the ITO is trans-parent in visible light whereas the ITO becomes reflective materials in the long-wavelength region (λ > 1500 nm). The designed metasurface exhibits a high average transmittance of 70% in visible light and high solar energy rejection (SER) of 90% in NIR. Furthermore, the performance of the designed metasurface is maintained over a wide range of an incident angle of light. Therefore, the metasurface gives an advanced guide-line for design energy-saving applications. In the opaque metasurface blocking NIR, the previous all-dielectric metasurfaces have difficulty in reflecting overall NIR because the reflection region is too narrow. Here, we demonstrate the all-dielectric metasurface blocking almost overall NIR by using amor-phous Si (a-Si) and SiO2. Since amorphous Si has a high refractive index (~3.3) and high extinction coefficient in NIR, the designed metasurface exhibits high reflection (1050 nm ≤ λ ≤ 2320 nm) as well as high absorption (λ < 1040 nm), thereby leading to high solar energy rejection (SER) of 94% in NIR. The performance of the designed metasurface is independent over a wide range of incident light. Furthermore, a-Si substrate constituting the metasurface can be readily deposited on other materials such as glass and plastic film, so the proposed metasurface has high applicability for a large-area fabrication rather than crystalline Si and GaAs.

전자파 산란 해석 기법의 가속화 연구 : Acceleration of Electromagnetic Wave Scattering Analysis

박강국 포항공과대학교 일반대학원 2011 국내박사

This dissertation mostly deals with some algorithms for accelerating of electromagnetic wave scattering analysis for a large system. Electromagnetic scattering analysis techniques for RCS prediction can be categorized into the low frequency method and the high frequency method, according to the size of the scatterer with respect of the operating frequency. Low frequency method such as method of moments (MoM) can provide an accurate solution of scattering from complex targets. MoM can provide an accurate solution. But when using the MoM, the memory requirements and calculation time increase with increasing size of the scatterers. To overcome this problem, the fast multi-pole method (FMM) was developed. In this dissertation, first of all, MoM which is low frequency method is presented. And demerits of MoM are presented. So to improve of calculation time of this method, it is formulated fast multi-pole method (FMM). But in spite of accelerating calculation time of MoM, electromagnetic wave scattering analysis for a large system has still the problem of calculation time and memory. To overcome this problem, in this research we use the high frequency method. High frequency method such as geometrical optics (GO) and physical optics(PO) can provide fast and robust solutions of scattering from electrically large and complex targets. This two methods are impossible to analyze multiple bouncing scattering mechanism for a large system. The shooting and bouncing rays method (SBR) based on high frequency method is one of the most popular and novel approaches to calculating multiple scattered fields. Calculation of RCS using SBR requires tracing of GO rays modeled as an incident plane wave. But huge amount of computation time is needed to trace each ray, and the total time increases rapidly with the electrical size of the target and the number of patches composing the target. To overcome this drawback, several division algorithms are introduced and new calculation algorithms using combination of ray tracing and division algorithms can be reduced the computation time. So a new algorithm to calculate multiple scattering terms using SBR method is discussed. To accelerate ray tracing for RCS prediction, deterministic ray tracing (DRT) is introduced. When we use this method, the number of intersection checks can be decreased. By applying the proposed algorithm, the ray tracing in the SBR method is accelerated. The proposed algorithm has been verified by comparing the results for complex targets with measurement in the viewpoint of accuracy. To estimate efficiency of the proposed method, total CPU times were measured as the number of patched used to construct the two targets increases. 본 논문은 전자파 산란 해석의 가속화를 제안하는 것이다. 일반적으로 전자파 산란 해석을 위해서 제안된 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 산란체의 크기와 해석할 파장의 크기를 비교하여, 충분히 파장에 비해 산란체의 크기가 크게 되면 고주파 기법을 사용하고 되고, 산란체의 크기가 충분히 크지 않으면 저주파 기법을 사용하게 된다. 두 방법에는 서로 장단점이 있다. 저주파 기법은 정확한 해를 얻고, 해석할 구조물의 제약을 크게 받지 않는다. 그렇지만, 산란체의 크기가 커짐에 따라 해석 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 그에 비해 고주파 기법은 산란체가 크더라도 빠른 해석 결과를 얻는 장점이 있다. 반면, 저주파 기법에 비해 정확한 해를 얻지 못하는 단점이 있다. 그렇지만 함정과 같이 파장에 비해 크기가 매우 크고, 복잡한 구조물에 대한 전자파 산란 (레이더 단면적 - Radar Cross Section : RCS) 해석을 수행할 때는 빠른 시간 내에 비교적 정확한 해를 제공하는 고주파 기법을 널리 이용하게 된다. 특히 물리광학법 (PO)과 물리광학적 회절기법 (PTD)은 복합 구조물의 RCS를 예측하는데 가장 빠른 산란 해를 제공한다. 그렇지만 이 두 방법은 1차 산란 해만을 제공하게 된다. 함정과 같이 크기가 크고, 복잡한 구조물에서 발생하는 주요 산란 방식은 1차 산란 뿐만 아니라, 2~3차 이상의 다중 산란 효과가 내포되어 있다. 이와 같은 다중 산란 효과를 해석하기 위해서는 앞의 두 방법인 물리광학법과 물리광학적 회절기법으로는 불가능하다. 다중 산란, 즉 다중 반사 해석을 위해 많은 기법들이 연구되었고, 그 중 기하광학법 (GO) 및 물리광학법 기반의 광선 추적법 (Shooting and Bouncing Rays : SBR)은 가장 정확한 해를 제공하는 기법이다. SBR 기법은 입사되는 전자파를 작은 광선 다발로 모델링하여 각각의 광선 다발을 추적하는 방법이다. 이 때 광선 다발로 모델링할 때 파장의 10분의 1의 크기로 쏜다. 그리고 Snell 법칙을 이용하여 이 광선 다발을 추적하게 되고, 이 추적한 광선 다발이 최종적으로 해석 방향으로 향할 때 PO적분을 하게 된다. 하지만 SBR기법에는 치명적인 결함이 있다. 그것은 표적의 크기가 파장에 비해 커질 때, 즉 실제 함정 같은 매우 큰 구조물 일 때, 초기 광선 격자 다발의 수와 각각의 광선 다발과 구조물을 이루는 평판의 교점 테스트의 횟수가 기하 급수적으로 증가하기 때문에 상당한 CPU 계산 시간이 요구되는 단점이 있다. SBR의 계산 시간을 증가시키는 요인의 앞에서 언급했듯이 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 초기 광선 격자의 수다. 일반적인 SBR 기법은 초기 광선 격자의 수가 파장 및 표적의 크기에 비례하여 증가하게 된다. 이 문제를 해결하기 여러 가지 방법이 제시되었으며, 그 중 입사 광선을 해석하고자 하는 구조물의 형상에 따라 효율적으로 분할하는 다중 해상도 SBR (Multi-resolution SBR : MSBR) 기법은 정확하며 어느 정도 빠른 예측 결과를 보여줍니다. 그렇지만 여기에도 단점이 있다. 산란체의 모양이 복잡할수록 구성하는 패치의 크기도 점점 작아지게 된다. 그렇게 되면 MSBR의 기법에서도 초기 광선 격자의 수가 일반적인 SBR에 비해서는 적을 찌라도 늘어나는 단점이 있다. 또한 광선 격자의 분할 방법을 수행할 때 시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 두 번째 요인은 각각의 광선 격자와 표적을 이루고 있는 평판의 교차 테스트다. 구조물을 구성하는 패치의 수가 증가하면 각각의 광선의 격자가 어느 패치에 교차하는지 테스트하는 과정 또한 패치 수만큼 늘어나게 된다. 즉 계산량이 많아지므로 계산 속도를 저해하는 요인이 된다. 이를 해결하기 위해서 2가지 방법이 있는데, 첫 번째는 이미 POSTECH EMLAB에서 개발한 Octree 구조를 이용한 예측 기법이다. 이미 정확하고 빠른 해석 결과를 보여주었다. Octree 구조는 컴퓨터 그래픽스 학문에서 널리 사용되고 있는 광선 추적 알고리즘으로 공간을 해석 구조물에 맞게 효과적으로 분할하는 방법이다. 두 번째는 본 논문에서 제안한 방법인데, 구면 좌표계의 각도를 사용하여 진행 공간을 분할하는 방법이다. 이 방법은 기준 패치(즉 하나의 광선 다발이 맞는 시점에서의 패치를 의미)에서 상대 패치로 향하는 공간을 미리 나누고, 기준 패치를 기점으로 상대 패치들이 이 나눠진 공간 상에 어디에 분포하는지 미리 배열로 만들어 놓는 방법이다. 이를 통해 기준 패치에서 나가는 하나의 광선 다발이 산란체를 구성하는 모든 패치에 대해서 교차 테스트를 하는 것이 아니라 분포 배열 (Distribution Information Table : DIT)내의 패치들만 교차 테스트를 하게 된다. 즉 모든 패치가 아닌 배열에 저장된 상대 패치들만 비교하면 되므로 계산 속도가 향상되게 된다. 본 논문에서는 제안한 방법 외에 두 가지 방법을 더 적용하여 기존의 방법에 비해 계산 속도가 향상된 방법을 구현한 코드를 제시했다. 제안했던 알고리즘은 기준 패치에 대해서 다중 반사가 일어날 가능성이 있는 모든 패치를 배열에 저장하게 된다. 그렇게 되면 배열의 크기가 상대적으로 커져서, 그 배열을 체크하는 시간 또한 오래 걸리게 된다. 이 배열 크기를 줄이기 위해서 위협 각도 (Cr

Path Optimization Problems in Modest Rectilinear Environment

김민철 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내박사

주어진 환경에서 최적의 경로를 찾는 문제는 모든 분야에서 세계적으로 연구되어 오던 중요한 문제이다. 이상적인 평면에선 출발지에서 도착지로 직진을 하는 것이 대부분의 기준에서 최적의 경로이기 때문에, 단순히 거리와 경로를 구하는 문제를 뛰어넘어 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram), 중심점 찾기 문제 등 최적 경로에서 파생되는 다양한 기하 문제들에 대해 최적의 연구 결과가 존재한다. 하지만 현실 세계는 이상적인 평면이 아니며, 보다 다양한 물체들이 변수로 작용한다. 이러한 장애물이 있는 환경을 평면 상에서의 다각 환경(polygonal domain)으로 치환할 수 있으며, 다각 환경에서의 최적의 경로를 찾는 문제와 파생 기하 문제들 또한 활발한 연구 주제 중 하나이다. 하지만, 다각 환경에서의 최적의 경로를 찾는 대부분의 알고리즘이 지닌 문제점은 복잡하여 구현상의 어려움이 있다는 것이다. 따라서 경로를 구성하거나 물체들을 이루는 요소가 축에 평행한 직각 환경에서의 최적의 경로를 찾는 문제들도 활발하게 연구되고 있다. 본 학위논문에서는 실용적인 직각 환경에서의 최적의 경로 문제 3가지에 대해 효율적인 알고리즘을 제시한다. 첫번째, 장애물이면서 동시에 질의의 대상이 되는 $n$개의 직사각형이 있을 때, 다양한 경로 최적화 문제들을 해결하는 자료구조를 제시했다. 기존 연구의 대부분은 대상이 점인 경우 최단 경로를 구하는 문제에 국한되어 있는데, 이를 좀 더 일반화시킨 연구를 진행하였다. O(n^2) 전처리 시간과 공간을 소요하여 O(log n) 질의 시간으로 최단 경로를 계산할 수 있는 자료구조를 고안하였다. 또한, 위 자료구조를 활용하여, 가장 가깝거나 가장 먼 직사각형을 구하는 자료구조 또한 제시하였다. n개의 직사각형 장애물이 주어졌을 때, 직사각형 장애물들이 만드는 환경의 지름과 중심점을 O(n^2 log n) 시간만에 구하는 알고리즘 또한 제시하였다. 두번째, 복잡도가 N인 두 개의 직각 다각형과 장애물로 취급되는 직각 다각형들이 상호 박스-분리(box-disjoint)된 복잡도 n인 환경에서 최소-선분 최단 경로(Minimum-link shortest path)를 구하는 효율적인 알고리즘을 제시했다. 기존 연구에서 제시되었던 일반적인 직각환경에서의 O(n + h log 3/2 h) 시간 및 O(n + h log h) 공간 알고리즘보다 실용적인 박스-분리 환경에서 최소-선분 최단 경로를 구해야 하는 두 개체를 좀 더 일반화시켜서 O((N+n) log (N+n)) 시간과 O(N+n) 공간만을 사용하는 알고리즘을 개발하였다. 마지막으로, 사각형 장애물의 개수가 n이고, 점의 개수가 m인 환경에서 최적의 시간과 공간 복잡도를 가지는 최원격 이웃 탐색 자료구조를 제시했다. 기존 연구에서 제시되었던 O(nm log (n+m)) 전처리 시간과 O(nm) 공간을 소요하여 O(log (n+m)) 질의 시간을 가지는 자료구조에서 전처리 시간을 O(nm + n log n + m log m) 시간으로 향상시킨 새로운 최적의 자료구조를 제시하였다. 위 자료구조를 이용하여, 같은 시간과 공간만을 사용하여 정확한 최원격 보로노이 다이어그램과 중심점을 구하는 알고리즘을 제시하였다. 이 결과는 장애물이 분리되어 존재하는 평면 상의 모든 환경에서 정확한 최원격 보로노이 다이어그램을 구한 최초의 최적 알고리즘이다. The problem to find optimal paths for a given environment is one of world-wide famous problems in fields related to optimization. For a plane with no restriction, the straight line segment between two objects is the optimal path in most standards, and it takes constant time to compute such optimal path. Using this fact, beyond computing paths or distances, many optimization problems and algorithms in the plane has been studied extensively, such as Voronoi diagrams, the diameter and center, and so on. However, the real world is hard to apply to the ideal plane, since various objects of the real world act as obstacles. A plane with such obstacles can be regarded as a polygonal domain. Optimization problems in a polygonal domain are also fundamental problems in computational geometry, so there are many results of path optimizations in general polygonal domain. Along with the problems in the polygonal domain, path optimization problems in a rectilinear environment, which is more practical and applicable than a polygonal domain, are studied actively. In this thesis, we study three kinds of path optimization problems in the modest rectilinear environment and present efficient algorithms for the problems. First, given a set of open axis-aligned disjoint rectangles, each of which plays as both an obstacle and a target, we seek to find shortest obstacle-avoiding rectilinear paths from a query to the nearest target and the farthest target. The distance to a target is determined by the point on the target achieving the minimum or maximum geodesic distance among all points on the boundary of the target. We show how to construct data structures supporting such shortest path queries to the nearest and farthest neighbors efficiently. Second, we compute shortest paths connecting two axis-aligned rectilinear simple polygons in the domain consisting of axis-aligned rectilinear obstacles in the plane. The bounding boxes, one defined for each polygon and one defined for each obstacle, are disjoint. We present an algorithm that computes a minimum-link rectilinear shortest path connecting the two polygons and avoiding the obstacles. Third, we present an algorithm to compute the geodesic L1 farthest-point Voronoi diagram of m point sites in the presence of n rectangular obstacles in the plane. This result is the first optimal algorithm for constructing the farthest-point Voronoi diagram in the presence of obstacles. We can construct a data structure in the same construction time and space that answers a farthest-neighbor query.

실공간 자성이미징기법을 이용한 새로운 스커미온물질에서의 스커미온연구

정주영 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 \textit{Q} = 1 (중심의 자성 방향이 +\textit{n}$_{z}$인 경우) 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10$^{-6}$) 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. \\ \indent 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 Q = 1 (중심의 자성 방향이 +nz인 경우 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10^-6( 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)들은 모두 상온보다 낮은 퀴리온도(Tc)를 가졌다. 이는 2015년에 발견된 Co-Zn-Mn을 제외하면 지금까지도 동일하다. 퀴리온도가 상온보다 낮다는 것은 상온에서 스커미온이 존재할 수 없다는 것을 의미하며 이는 응용에 매우 불리한 요소이다. 뿐만 아니라 응용을 위해서는 B20 카이랄 자성체라는 특별한 물질을 넘어 일반적인 구조의 더 많은 물질에서 스커미온을 발견해야 했다. 따라서 본 연구는 스커미온의 응용을 위해서 기존의 B20 카이랄 자성체보다 퀴리온도가 높은 물질이 많은 중심대칭성 자성체(centrosymmetric magnet)와 다층박막(multilayer)을 스커미온 물질로 선택하였다. 먼저 중심대칭성 자성체인 bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) 에서 MFM을 이용하여 스커미온 혹은 스커미온의 전조(precursor)로 보이는 자성구조체를 발견하였다. 또한 자기장을 올렸다가 내리며 수지상(dendrite) - 스커미온 - 포화(saturation) - 스커미온 - 수지상의 전이(transition)와 리버서블(reversible) 거동을 관찰하였고, 온도를 내리며 spin reorientation transition (SRT)을 관찰하였다. 이 결과는 당시 2개 밖에 없던 중심대칭성 자성체의 스커미온(예비)물질을 추가로 발견하고 in situ로 온도와 자기장을 바꾸며 LSMO에서는 최초로 dendritic전이와 SRT의 중간과정을 관찰하였다는 의미가 있다. 또한 Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru 다층박막 물질에서 자기장과 온도의 in situ LTEM 관찰을 통해 423 K - 733 K 에서 Néel-type 스커미온이 안정적인 초고밀도 상태로 존재하는 것을 발견하였고 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다. 본 연구에서 보인 다층박막물질 Néel-type 스커미온의 뛰어난 온도안정성은 국부적으로 가열이 일어날 수 있는 스커미온 디바이스 등의 응용에 긍정적으로 작용한다. 또한 초고밀도 스커미온 상의 응용이나 박막의 구성변화를 통해 초고밀도 스커미온상을 상온까지 내리는 등의 추가연구도 기대할 수 있다. 다음으로 실생활에 많이 쓰이는 영구자석인 중심대칭성 자성체 Nd2Fe14B에서 필드쿨(field cooling)을 이용하여 새로운 형태의 스커미온과 스커미오닉버블을 발견하고 그 성질을 살펴보았다. 단축비등방성(uniaxial anisotropy)은 스커미온의 형성을 억제한다고 알려져 있기 때문에, 강한 단축비등방성을 갖는 강한 자석(hard magnet)인 Nd2Fe14B에서 스커미온이 나온 것은 놀라운 일이다. 일반적인 스커미온은 선형(stripe) 도메인에서 자기장을 올리며 생성되는데 Nd2Fe14B에서는 이 방법으로 스커미온이 생성되지 않았고 특정 자기장범위(0.15 - 0.20 T)의 필드쿨을 통해서만 생성되었다. 그리고 온도를 계속 내리면 스커미온이 스커미오닉 버블로 상전이하였다. 발견한 스커미온은 기존의 스커미온과는 다르게 쉘이 둘러싸고 있었고, 반대방향의 helicity가 함께 공존하였으며, 열적 요동에 의해 반대 helicity로 바뀌는 helicity reversal이 관찰되었다. 스커미오닉 버블은 넓은 온도와 자기장 범위(295-565 K, 0-0.98 T)에 존재하였는데, 그 형태가 자기장과 두께에 민감하게 변하였다. 본 연구는 스커미온이 나오지 않을 것으로 생각되던 물질을 스커미온 물질에 추가하였을 뿐만 아니라 스커미온이 나오지 않던 물질에서 필드쿨을 활용하여 스커미온을 발견할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 또한 필드쿨의 조정을 통해 완전히 다른 자성 특성을 보이게 한 것은 스커미온 분야를 넘어 다른 자성분야에도 적용될 수 있다. 마지막으로 상온에서 스커미오닉 버블에 전류를 인가하여 움직이게 하였다. 스커미오닉 버블은 위상학적 전하가 0 이기때문에 스커미온처럼 작은 전류로 움직일 수 없다고 알려져 있다. 하지만 시편에 두께 기울기(thickness gradient)를 주어서 스커미온과 비슷한 크기의 매우 작은 전류(~10^9 A/m^2)로 움직이게 하였다. 이는 스핀전달토크(spin transfer torque)가 작용한 것이 아니라 시편의 형상학적 효과와 전류에 의한 Joule heating이 결합하여 생긴 새로운 현상으로, 스커미오닉 버블의 움직임을 통한 응용 또는 스커미온의 구동전류를 줄이는데 활용될 수 있다. Vortex-shaped spin structures, also known as skyrmions, are quasi-particles with topological properties. These properties are caused by the topological charge Q, or the skyrmion number, which satisfies Q = 1 for a core magnetization of +nz. Owing to their topological properties, skyrmions possess a stable structure and can move at an electric current that is significantly lower (10-6) than that of a conventional domain wall. Moreover, skyrmions exist in 2D at a nanometer scale and exhibit excellent reactivity to spin-polarized currents compared with normal currents. Owing to the aforementioned properties, skyrmions have excellent potential for application in next-generation semiconductors and spintronics. Depending on the host material, the type, temperature, size, and driving current of a skyrmion can change. Among these, the most important factor is temperature, as skyrmions are mainly used at room temperature (RT). However, B20-structured chiral magnets, which are the existing host materials, exhibit a Curie temperature (Tc) that is lower than RT. If Tc is lower than RT, skyrmions cannot exist at RT, which makes its application extremely difficult. In addition, to assist the application of skyrmions, it is necessary to determine host materials with general structures that differ from that of B20-structured chiral magnets. Therefore, I selected centrosymmetric magnets and multilayers as host materials as their Tc is higher than that of conventional host materials, i.e., B20 chiral magnets. First, I discovered a skyrmion or skyrmion precursor in a centrosymmetric magnet bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) using magnetic force microscopy (MFM). In addition, the transition and reversible behaviors of dendrite-skyrmion-saturation-skyrmion-dendrite were observed by raising and reducing the magnetic field. Moreover, a spin reorientation transition (SRT) was observed when the temperature was reduced. These results are significant as I observed the process of the dendritic transition and SRT for the first time in LSMO and discovered new candidates for skyrmion-hosting centrosymmetric magnets. In Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru multilayer films, using in situ Lorentz transmission electron microscopy (LTEM), it has been found that Neel-type skyrmions exist in a stable ultra-high-density state at 423–733 K. This phenomenon has been verified by Monte Carlo simulations. The excellent temperature stability of Neel-type skyrmions in multilayer films is beneficial for skyrmion devices that can be heated locally. In addition, further research is expected for other possible applications, which may help reduce the temperature of ultra-high-density skyrmion states. Next, I discovered new types of skyrmions and skyrmionic bubbles in the centrosymmetric permanent magnet Nd2Fe14B by field cooling (FC) and investigated their properties using LTEM. As uniaxial anisotropy suppresses the formation of skyrmions, it is remarkable to observe skyrmions in Nd2Fe14B—a hard magnet with high uniaxial anisotropy. In general cases, skyrmions are generated by raising the magnetic field in the stripe domain. However, this is not the case for skyrmions in Nd2Fe14B. The only way to generate skyrmions is through FC within the range of 0.15–0.20 T. As the temperature decreases, skyrmions become skyrmionic bubbles. Unlike conventional skyrmions, the skyrmions in Nd2Fe14B are surrounded by a shell and coexist in opposite helicities. Moreover, a helicity reversal is observed, in which the skyrmions in opposite helicities are reversed without any manipulation. These skyrmionic bubbles exist in a wide range of temperatures and magnetic fields (295–565 K, 0–0.98 T). Further, it is experimentally confirmed that the properties of skyrmionic bubbles are significantly affected by magnetic field and thickness. These discoveries in Nd2Fe14B indicate that a hard magnet can be added to a new skyrmion-hosting material and skyrmions can appear in various materials using the FC method. In addition, the FC method, which can modify magnetic properties by varying the small FC field, can be applied to other magnetic studies beyond skyrmions. Finally, a current was applied at RT to move skyrmionic bubbles in Nd2Fe14B. Unlike skyrmions, a skyrmionic bubble cannot move with a small current as its topological charge is zero. However, by introducing a thickness gradient into the specimen, I successfully made the skyrmionic bubbles move at a small current of ~109 A/m2. Instead of spin-transfer torque, the combination of Joule heating based on the specified current and the geometric effect of the specimen will affect the motion of the skyrmionic bubbles.

Learning to Generate Synthetic Classes for Deep Metric Learning

이경문 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내석사

심층 거리 학습은 학습 중에 보지 못한 클래스라도 데이터 간의 거리가 클래스의 관계를 반영하는 임베딩 공간을 학습하는 것을 목표로한다. 그러나 학습 때 사용 가능한 클래스의 수는 제한되고 이는 모델의 일반화를 방해한다. 이에 따라 우리는 새로운 클래스와 해당 클래스의 임베딩 벡터를 생성하는 새로운 데이터 증대 방식을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 학습 데이터셋에서는 사용할 수 없는 새로운 클래스로 학습 데이터셋을 보강하여 임베딩 모델로 하여금 풍부한 의미적 정보를 제공하여 모델의 일반화를 개선한다. 우리는 제안하는 아이디어를 조건부 생성 모델을 학습함으로써 구현하며 이는 클래스 정보와 랜덤 노이즈를 입력으로 받아 임베딩 벡터를 생성한다. 제안하는 생성기는 실제와 유사하고 또 다양한 클래스를 보강하여 프록시 기반의 손실 함수로 하여금 더 풍부한 클래스 간의 관계를 활용하여 테스트 타임 때의 한번도 보지 못한 클래스 데이터에 대한 일반화를 개선한다. 또한 본 논문은 제안하는 방법이 프록시 기반의 손실 함수의 성능을 분명히 향상 시킨다는 것을 증명한다. Deep metric learning aims to learn an embedding space where the distance between data reflects their class equivalence, even when their classes are unseen during training. However, the limited number of classes available in training precludes generalization of the learned embedding space. Motivated by this, we introduce a new data augmentation approach that synthesizes novel classes and their embedding vectors. Our approach can provide rich semantic information to an embedding model and improve its generalization by augmenting training data with novel classes unavailable in the original data. We implement this idea by learning and exploiting a conditional generative model, which, given a class label and a noise, produces a random embedding vector of the class. Our proposed generator allows the loss to use richer class relations by augmenting realistic and diverse classes, resulting in better generalization to unseen samples. Experimental results on public benchmark datasets demonstrate that our method clearly enhances the performance of proxy-based losses.

알루미나 나노파이버 구조의 제작 및 젖음특성에 기반한 표면 물성 평가

김영애 포항공과대학교 일반대학원 2016 국내박사

본 논문에서는 양극산화 방법을 이용한 알루미나 나노 나노파이버 구조물의 제작 및 특성평가에 대한 연구를 수행하였다. 제 1장에서는 넓은 온도 및 전압 범위에서의 양극산화를 수행하였다. 순수한 알루미늄을 이용하였으며, 1차 양극산화와 이의 제거 공정을 포함하는 전처리를 통해 일정한 크기의 오목한 형상을 갖는 알루미늄 시편을 준비하였다. 이 구조는 나노임프린트 방법을 이용한 양극산화와 같은 원리로 초기 형성되는 다공성 구조의 간격을 일정하게 유지하여 양극산화 조건에 따른 알루미나 형상의 경향성을 파악하기 위함이다. 결과적으로 양극산화 조건에 따라 나노포어 구조와 나노파이버 구조가 형성되었다. 양극산화 용액의 온도를 증가시킬수록 나노포어 구조에서 포어의 지름이 확장되었으며 다공률이 높아지는 것을 알 수 있었다. 이후 정렬되지 않은 포어들이 관찰되고 최종적으로는 나노파이버 형상이 제작되었다. 낮은 전압과 높은 전압 모두에서 나노포어 및 나노 파이버의 형성이 관찰되었으나 높은 전압에서 이러한 변화가 더욱 빠르게 일어나는 것을 알 수 있었다. 또한 다른 전압 조건 하에서 나노파이버의 형상이 다름을 확인하였는데, 이는 가해지는 전압에 따른 전류밀도의 변화가 최종적인 파이버의 형상을 변화시킨 것이다. 낮은 전압에서는 안정적인 양극산화 반응으로 인하여 튜브 형상으로 알루미나가 형성되고 결과적으로 매끈한 알루미나 파이버가 제작되지만 높은 전압조건에서는 전류의 변화와 국부적 온도 상승으로 인하여 울퉁불퉁한 알루미나가 형성되어 최종적으로 톱날과 같은 형상의 파이버가 제작된다. 이 연구를 통하여 나노포어 구조 및 나노파이버 구조가 형성되는 조건을 확인할 수 있었으며, 원하는 형상의 구조물을 구현할 수 있는 양극산화 제작조건을 제시하고자 하였다. 제 2장에서는 알루미나 나노 파이버 구조의 젖음 특성에 관한 연구를 진행하였다. 양극산화로 제작된 알루미나 나노 파이버는 마이크로-나노 계층구조를 가지는데, 이러한 계층구조는 표면의 젖음 특성을 극대화 시키는 성질이 있다. 앞선 연구를 통해 나노파이버 구조는 초기 나노포어 구조가 확장되어 나노 파이버 구조로 변화되는 것임을 확인하였다. 포어에서 부터 파이버로 변화하는 각 단계의 표면 구조를 관찰하고 젖음 특성을 파악하였다. 초기 나노포어 구조에서는 친수성 성질이 나타나나 나노 파이버 구조가 완성 될수록 극친수성을 띄는 것을 확인하였다. 또한 이 표면에 간단한 소수성 폴리머 코팅을 통해 소수성 표면을 구현하였다. 소수성 폴리머가 단분자 자가조립을 통해 표면과 공유결합을 하는 것으로 표면 구조의 변화 없이 젖음성만을 변화시킬 수 있다. 소수성 표면 역시 계층구조가 뚜렷해 질수록 커 지는 것을 알 수 있었으며, 나노파이버 구조가 완전히 형성된 표면에서는 극소수성을 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 제작 방법은 기존에 복잡한 극친수 및 극소수성 표면 제작을 대체할 수 있는 방법으로 빠르고 간단하게 구조 및 젖음 특성을 부여할 수 있다. 또한 기존 극소수성 표면에 비해 기계적 성질도 우수한 것을 확인하였다. 이는 대면적 3차원 형상에도 적용시켜 극친수/극소수 표면의 응용분야를 실제 산업분야로 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다. 마지막 장에서는 다른 젖음 특성을 갖는 표면에서 곰팡이의 성장 및 이동을 관찰하였다. 알루미늄은 산업용 구조물 및 부품에 널리 사용되는 재료로 대부분의 열교환기에도 쓰이는 재질이다. 뛰어난 열교환 효율 및 가격적 장점이 있지만 곰팡이에 취약하며 실내 공기중에 곰팡이들을 확산시키는 역할을 하기도 한다. 기존 발표된 연구들은 알루미늄에 은나노입자와 같은 항균성 나노 입자들을 증착하거나 구리나 티타늄 등의 항균성 금속으로 대체하는 해결안을 제시하였으나 화학적 안정성이나 비용 문제로 인하여 실제 알루미늄 열교환기를 대체하기에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 알루미나 나노파이버 형성으로 젖음성이 개질된 표면을 사용하여 곰팡이의 성장 및 확산에 대하여 관찰 해 보았다. 일반 알루미늄과 일반 알루미늄에 소수성 물질을 코팅한 소수성 표면, 그리고 알루미나 나노파이버가 형성된 극친수표면과 그에 코팅 공정을 더한 극소수성 표면이 연구에 사용된 표면들이다. 각 표면 위에 곰팡이 포자 현탁액 또는 포자 덩어리를 떨어뜨리거나 표면 외부에서 곰팡이를 성장시켜 이동 여부를 확인한 실험이 수행되었다. 결과적으로 일반 알루미늄과 비교하여 극소수성으로 개질된 표면에서 뛰어난 항곰팡이 성질을 갖는 것을 알 수 있었으며, 이는 표면이 직접 오염된 경우, 그리고 표면의 외부에서 오염된 이후 표면으로 이동하는 경우 모두에서 효과적이었음을 확인하였다. Studies have been performed to investigate the fabrication of alumina nanofibrous structures and determine the characteristics of the structured surfaces, especially the wetting properties. First, anodic aluminum oxide (AAO) materials were fabricated under various anodization conditions, specifically electrolyte temperature and electrical potential. Ordered, nanoscale, conformal concave-structured aluminum surfaces were prepared through anodization and removal of the oxide layer. The structures were designed as a nanoimprinted surface to investigate the characteristics of fabricated alumina structures. As a result of anodization, ordered and disordered nanoporous and nanofibrous structures were fabricated depending on the anodization conditions. On the ordered nanoporous structures, pore diameter and porosity increased with an increase in the electrolyte temperature; then, disordered nanoporous structures were observed, and nanofibrous structures were formed finally. The structural changes were observed at both low and high potentials. However, higher potential accelerated the change. The morphology of the nanofibers differed significantly depending on the electrical potentials because of the difference in the applied current density. At a lower potential, long and thin nanofibers were fabricated because the formation and dissolution of alumina were balanced. At a higher potential, rough nanofibers (like saw tooth) were fabricated because alumina formation and dissolution during anodization were not balanced. This investigation of the AAO structural diversification offers a guide to choosing the proper conditions for achieving a desired morphology, and will broaden the utility of AAO materials. Second, the surface characteristics of alumina nanofibrous structures were measured. Alumina nanofibers fabricated by anodization have hierarchical micro/nano-structures, and the hierarchical structures enhance surface wetting properties. Formation of alumina nanofibrous structures was observed with anodization time, and the contact angles were measured. At first, nanoporous structures were formed and the surface was hydrophilic. With continued anodization, nanopores turned to nanofibrous structures and the wetting gradually increased to result in near-zero contact angle (i.e., superhydrophilicity). A hydrophobic surface was fabricated through a simple coating method using a hydrophobic polymer. After the polymer coating, the morphology of the coated surface did not change because the polymer formed only a monolayer. On specimens coated with the hydrophobic polymer, hydrophobicity increased with the anodization time without change in the surface structures. Therefore, the polymer-coated surface with hierarchical alumina nanofibrous structures shows superhydrophobicity. The method is simple, rapid, and can be used without any additional steps in industrial applications, starting from aluminum specimens of any size or shape. The resulting superhydrophobic or superhydrophilic surface also has excellent mechanical properties, as characterized by the modulus and hardness, compared to other superhydrophobic surfaces. We expect that applications of superhydrophobic and superhydrophilic surfaces will be facilitated by this method. Last, fungal growth and contaminations were observed on different wetting surfaces. Aluminum is widely used in industrial structures and parts. In particular, most evaporator materials are aluminum because of its suitable mechanical properties, but it has no ability to prevent contamination and growth of microorganisms. Various ways to overcome these problems have been proposed including the application of antibiotic nanoparticles, polymers, or metals. These methods are difficult to apply to the evaporator because of the instability of the resulting chemical and physical structures and the cost. In this study, superhydrophobic surfaces based on alumina nanofibrous structures were used to achieve an antifungal effect while retaining the mechanical properties of aluminum. Fungal growth was investigated on the superhydrophobic surface and compared with growth on superhydrophilic, hydrophilic, and hydrophobic surfaces. Our experimental studies involved both direct and indirect contamination (separately). In both the experiments, fungal contamination was found on the superhydrophilic, hydrophilic, and hydrophobic surfaces. There was no contamination on the superhydrophobic surface in the direct experiment, while in the indirect contamination experiment, there was a small amount of contamination on the superhydrophobic surface, and minute spread. Therefore, only the superhydrophobic surface is effective as an antifungal surface.

Exploiting Multi-task Structure with Task Conditioned Models

노현우 포항공과대학교 일반대학원 2019 국내박사

최근 딥러닝의 적용으로 인식 문제와 상호 작용이 가능한 에이전트의 학습에는 많은 발전이 있었다. 하지만, 이러한 발전은 대부분 하나의 문제를 푸는 모델에 대한 것으로, 여러개의 문제를 풀 수 있는 하나의 인식 모델 또는 상호 작용이 가능한 에이전트의 학습은 아직 많은 연구가 필요한 분야로 남아있다. 이러한 딥러닝 기반 방법과는 달리, 인간은 주어진 신체에 국한된 하나의 인터페이스 만으로도 다양한 문제를 동시에 풀 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 능력을 모방하기 위해 본 논문에서는 문제 정의에 기반하여 동작을 변경하는 다중 문제 풀이를 위한 모델에 관하여 연구한다. 이러한 문제 정의 기반 모델은 다양한 문제를 풀 수 있도록 학습하기 위한 것이기 때문에 다양한 문제들 사이에 존재하는 공통된 구조나 반복되는 패턴을 찾고, 이를 활용할 수 있는 능력이 중요하다. 즉, 모델은 반복되는 패턴을 활용함으로써 한정된 자원으로 부터 수많은 문제를 풀수 있는 재사용 가능한 기술을 효율적으로 익히고 새로운 문제에 적용할 수 있어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 한 방법으로, 이 논문에서는 문제의 내부적 표현 방식와 문제의 내부 표현에 기반한 문제 해결 과정을 문제 기반 모델의 중요한 두 모듈로 정의하고 연구한다. 문제의 내부적 표현 방식은 주어진 문제의 구조를 드러내며 각 문제를 일반적인 지식이나 기술의 조합으로 표현하여 한 문제에서 배운 지식이나 기술을 다른 문제에 적용 가능하도록 나타낸다. 문제 해결 과정은 내부적 표현 방식과 입력에 따라 결과를 출력하는 과정으로, 내부적 표현 방식에 나타난 대로 일반적인 지식이나 기술을 적용한다. 이 논문에서는 문제의 내부적 표현 방식 및 문제 해결 과정의 역할을 연구하기 위하여 우선 잘 디자인된 표현 방식과 해결 과정의 예를 소개한다. 해당 예시에서는 적은 개수의 시행 과정 영상을 모방하는 문제에서 문제의 구조를 적절히 표현하는 내부 표현 방식이 학습 성능의 향상과 일반화 능력의 측면에서 장점이 있음을 보인다. 또한 이 논문에서는 딥러닝을 사용한 문제 정의 기반 모델에서 내부적 표현 방식 및 문제 해결 과정을 학습을 통해 얻을 수 있는 방법에 대해서 연구한다. 구체적으로 모델의 매개 변수 구조, 표현 학습, 대리 문제 분포를 통한 표현 방식의 사전학습, 구조적 정규화 방법 등을 소개하며, 시각 기반 질의 응답 및 여러개의 문제를 위한 강화학습에서 이러한 방법이 좋은 문제 내부 표현 및 해결 과정을 학습하고 풀고자 하는 문제에서의 성능을 향상 시킬 수 있음을 보인다. 추가적으로, 학습된 문제 표현 방식 및 해결 과정을 다른 문제 상황에 전이 하여 재사용 할 수 있음을 확인한다. While deep neural networks have been making remarkable advances on learning recognition models and interactive agents for a single task, building a system that is capable of solving diverse tasks is still an open area of research. Contrary to deep neural networks, which is very good at optimizing a single task performance and sometimes demonstrate super-human performance, human is capable of learning and solving extremely wide range of tasks with a single interface for communicating with the world based on perception and action. To imitate such ability with deep neural network, this dissertation studies task conditioned models, a class of models that have specifications of tasks as an additional input. The task specifications span the space of tasks and modulate the behaviour of a model to represents solutions to diverse tasks as different mappings between inputs and outputs of the model. Considering that the task conditioned models aim to solve multiple different tasks with a single model, capturing the repetitive or shared structure among tasks and exploiting them to reuse knowledge learned in one task in other tasks is an important research area for building a model that scale in terms of the number of tasks. For this purpose, we introduce task representation and task conditioned decision strategy as two internal modules of a task conditioned model and study their roles for learning task conditioned models. The task representation is an internal representation of a task, which captures and reveals repetitive structure of a space or distribution of tasks. The task conditioned decision making strategy is a part of the model that makes final output based on the input and the task representation. This module functions as a task agnostic skills for solving multiple different tasks by exploiting the structure represented by a task representation. To study the role of task representation and decision strategy, I first present an example with well engineered task representation and decisions strategy. In a few shot imitation learning problem, I present how good task representations revealing the true multi-task structure benefits learning and improves generalization. Based on this intuition, I study how we could learn good task representations and decision strategies for task conditioned models based on deep neural networks. I present approaches based on model parameterization, representation learning, pretraining with proxy task distribution, and structured regularization as effective tools for learning good task representation and decision strategy. The experiments on visual question answering and multi-task reinforcement learning demonstrate the effectiveness of the approaches in terms of the quality of learned task representation and the performance on target multi-task problem. Additionaly, I present that the learned task representation and decision strategy can be transferred and reused for different problem settings.