Design and Fabrication of Nanoscale Metal Interconnections for Transparent Deformable Electronic Devices

김동욱 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

As transparent displays and touch screens begin to be introduced to the public, the technology for transparent deformable electronic devices is attracting enormous attention as a next-generation electronic technology. Deformable optoelectronic devices, such as displays, solar cells, touch screens, and smart windows that maintain their functions under mechanical deformations have been developed, and various approaches to transparent deformable electrodes have been studied intensively. Despite these interests, transparent deformable nano- and micro-scale integrated interconnections that are easy to be patterned and positioned are receiving somewhat less attention. Since the most successful and feasible concept leading to deformable devices is linking rigid islands of active device components (transistor, light-emitting devices, photovoltaics, etc.) with deformable interconnections, developing transparent interconnections that can retain good electrical performance under high mechanical strain is highly required. In this work, I designed and fabricated three different types of transparent deformable nanoscale metal interconnections; (i) One-dimensional (1D) metal nanolines which were deposited on the flexible substrates by simple and reliable nanofiber (NF) photolithography, (ii) 1D wavy stretchable single metal NF which were individually positioned by the electrohydrodynamic (EHD) printing and metallized through room-temperature electroless plating, and (iii) Two-dimensional (2D) foldable and stretchable gold (Au) film hybrid electrodes which were composed of the anisotropic conductive ultrathin films (ACUFs) and the ultrathin Au film electrodes. These fabricated metal interconnections were not only electrically deformable but also optically transparent due to their nanoscale dimensions, and were able to be individually positioned and patterned in desired positions, shapes, and alignments. Also, all three deformable interconnections are fabricated by low-temperature processes and can easily expanded to large-scale production. The fabricated nanoscale metal interconnections were used as the interconnecting electrodes in the transparent and deformable field-effect transistors (FETs) array and the transparent electrodes of the deformable light-emitting devices.

Investigation on Thermal Stability of Metal-Interlayer-Semiconductor Contacts Using Carbon Implantation

이동훈 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

Effects of carbon implantation (C-imp.) on the thermal stability of MIS (Metal-Interlayer-Semiconductor) contact were investigated. The experiment was conducted on both Si and Ge substrates. To improve the thermal stability in MIS contact, C-imp. into MIS structures was applied. The current density (J) - voltage (V) characteristics showed that C-imp. changed the rectifying behavior to the ohmic-like behavior. The Schottky barrier height (SBH) was also reduced by the C-imp. These improvements can be beneficial to reduce the lower contact resistivity (ρc) with the rapid thermal annealing (RTA) temperatures ranging from 450 to 600 ℃. From the transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping, the MIS contact with C-imp. showed the suppression of oxygen diffusion into Ti layer. From the secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the segregation of P dopant at the interface was more facilitated with C-imp.. Thus, the C-imp. is promising to improve the thermal stability and to realize low contact resistivity of MIS contact.

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.

전산모사 및 I-V 모델링을 이용한 20-nm 노드 Ge2Sb2Te5 상변화 메모리 특성 분석

장현동 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내석사

Phase-change memory (PCM) using chalcogenide materials has been spotlighted as non-volatile memory, which can fill the gap of memory hierarchy between DRAM and NAND Flash. However, as research on scaling down PCM devices has been actively conducted, problems such as resistance drift, cell-to-cell disturbance, undesired programming, and high RESET current have emerged. In particular, the chalcogenide material in the amorphous state has caused side effects, thereby raising the need for research for in nm-class PCM devices. Therefore, in this thesis, electrical and thermal performances of the PCM are characterized and discussed using technology computer-aided design (TCAD) and integrated circuit characterization and analysis program (IC-CAP) tools. Electrical and thermal performances of 20-nm node PCM described the bandgap model are extensively analysed according to physical parameters and geometry using fully-calibrated TCAD simulation. Increasing the maximal crystallization rate (r0) and decreasing the activation energy (Eact) reduces SET resistance and SET programming current, thus resistance ratio can be increased and consumes less power. This result suggests that Eact is more sensitive to electrical performance than r0. SET and RESET current decreases as impact ionization factor (II) increases. Also, programming current decreases and heat efficiency increases as thermal boundary resistance (TBR) thermal conductivity decreases and TBR metal resistivity increases. Decreasing the cell height reduces SET resistance, so increases read latency. However, current which produces the same Joule heating effect increases, thus increasing power consumption. Therefore, read latency and programming current are in a trade-off relationship when the cell height varies. Finally, these parameters can vary the threshold voltage, thus when designing the PCM cell, these parameters must be considered to meet the desired specifications. Threshold switching and snap-back mechanism is explained by the non-equilibrium carrier distribution and non-uniformity of electric field along the amorphous layer. Then, the appropriate barrier lowering change model that describe carrier transport in the subthreshold region is selected by comparing two models. Therefore, the subthreshold region, threshold switching, negative differential resistance, and ON region are implemented using analytical model of PCM. As a result, this model can be applied to circuit simulations of PCM devices with current equations based on physical computation.

마이크로크기 액적의 거동 제어를 통한 액적-점핑 응축 성능 증진

한태양 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

The enhancement of the efficiency of condenser surfaces would reduce consumption of energy and natural resources, because the efficiency of the systems exploiting the condensation of vapor depends on the efficiency of the condenser surfaces. The condensates on the surfaces act as thermal resistance during the condensation, so the efficiency of surfaces is closely related to the behavior of the condensates. When a condenser surface is superhydrophobic, micro-condensates can jump up from the surface due to the low adhesion energy between the condensates and the surface. Therefore, the jumping-mode condensation has the potential to be applied in a wide range of applications, including electronic hot-spot cooling, water/energy harvesting, and dehumidification. However, the relatively low heat flux of jumping-mode condensation, which is attributed to the flooding limitation of the superhydrophobic surfaces, is the bottleneck of applications, so enhancing the efficiency of jumping-mode condensation is a significant step toward commercialization of the applications. Extensive research has been conducted to increase the efficiency of jumping-mode condensation. Biphilic surfaces combining superhydrophobic and hydrophilic surfaces have been suggested to increase the growth rate and number density of condensed droplets. The energy barrier for the heterogeneous nucleation of condensation is lower in the hydrophilic area than in the superhydrophobic area, so nucleation is promoted by hydrophilic patterns on a superhydrophobic surface. In addition, the control of the nucleation site using the biphilic surfaces has great potential to delay flooding in high supersaturation conditions. Using an electric field is also an effective method to increase the efficiency of jumping-mode condensation. The jumping droplets are positively charged by the formation of the electric double layer at the droplet–surface interface, so applying an electric field can prevent jumping-droplet return. Next, micro/nano hierarchical structured surfaces can promote droplet jumping. The nucleation density is increased in the hierarchically structured surfaces due to the increased heat transfer area and the decreased nucleation energy barrier at the corner of the microstructures, so the number of coalescence events of the condensed droplets is increased. Furthermore, the condensed droplets can move up to the top of the microstructures spontaneously due to the Laplace pressure gradient. This expulsion reduces the adhesion energy between the droplets and the surface due to the minimized liquid–solid contact area. These studies have shown the enhanced efficiency of the jumping-mode condensation, however the efficiency can be increased further. The jumping-mode condensation only can be applied to low supersaturation conditions due to the flooding limitation. Furthermore, the nucleation energy barrier is high on superhydrophobic surfaces because the contact angle of the surfaces is high, so the nucleation rate is low on the superhydrophobic surfaces. In this condition, the number of the coalescence events of the condensed droplets is low due to the long distance between the condensed droplets, delaying the coalescence-induced jumping. Therefore, this study suggested a new superhydrophobic surface inducing in-plane motion of the condensed droplets to promote the coalescence-induced jumping. To find a method inducing the in-plane motion of the droplets, the droplet behavior inside a V shape was investigated and a model was developed to explain the relationship between the wettability of the V shape and the droplet behavior. The model predicted that a superhydrophobic V shape can induce the in-plane motion, and the prediction was validated experimentally. Based on this understanding, a new superhydrophobic surface having the superhydrophobic V shapes was designed. The surface induced the spontaneous motion of condensed droplets in parallel with the substrate, then the droplets gathered in a certain area. The spontaneous in-plane motion accelerated the contact between the droplets, promoting the coalescence-induced jumping. Compared with a conventional superhydrophobic surface, the proposed surface increased the frequency of coalescence-induced jumping by ≥ 17 times and increased the cumulative volume of jumping droplets by ~ 1.8 times. On the developed surface, spontaneous depinning motions of the condensed droplets inside the V shape was observed. In addition, a unique jumping mode, which has the potential to increase the efficiency of condensation further, was discovered: Two droplets originating from a single nucleation site coalesced with each other and jumped up. In this study, the mechanism and the effect of the depinning motion and the unique jumping mode were analyzed. The understanding from the analysis will give insights into designing efficient condenser surfaces for various applications. 응축 현상은 발전소의 응축기와 열 교환기 그리고 담수화 설비 등 다양한 산업에서 중요하게 사용되며, 응축 열전달 효율 증진은 이러한 산업의 효율 향상과 직결되기 때문에 매우 중요하다. 그리고 과거에는 100°C 이상의 고온 고압의 증기를 응축시키는 것이 주를 이룬 반면에 최근에는 수분 포집 장치와 전자제품 열 관리를 위한 히트파이프 등에서 대기 온도와 비슷한 수준의 저온 증기를 응축시키는 시스템이 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 새로운 응축 표면을 개발하여, 저온 증기의 응축 효율을 증진시키고자 한다. 저온 증기의 응축 효율을 증진시키는 가장 좋은 방법은 응축면이 초소수성을 띠게 만들어서 액적-점핑 응축 모드를 구현하는 것으로 알려져 있다. 응축 과정에서 응축면 위의 응축액들은 열저항 역할을 하며, 표면과 응축액 사이의 접착에너지가 낮을수록 응축액이 쉽게 제거되기 때문에 응축 열전달 효율이 높다. 그리고 표면 위의 응축액들이 서로 접촉하여 하나로 뭉치는 과정에서 표면적이 감소하면서 여분의 표면에너지가 운동에너지로 전환되는데, 초소수성표면에서는 응축액과 표면 사이의 접착에너지가 매우 낮기 때문에 액적-뭉침 과정에서 발생하는 운동에너지가 접착에너지를 극복하여 응축액들이 표면 밖으로 점프할 수 있게 된다. 이 때 점프하여 제거되는 응축액들은 마이크로미터크기로 소수성표면에서 중력에 의해 제거되는 응축액의 크기(수 mm)보다 훨씬 더 작기 때문에 초소수성표면에서의 액적-점핑 응축의 효율이 소수성표면에서의 적응축보다 더 높다. 하지만 초소수성표면에서의 액적-점핑 응축 효율을 더 증진시킬 수 있는 여지가 있다. 액적-점핑 현상은 두 개 이상의 응축액들이 서로 접촉했을 때 발생하기 때문에 응축액들 사이의 간격에 의해 이탈 직경이 결정된다. 저온 증기 응축과 같은 낮은 열유속 조건에서는 응축 핵형성 밀도가 낮아서 응축액들간의 거리가 상대적으로 멀어지게 되며, 이 때 액적-점핑에 의해 제거되는 응축액들의 평균 크기(~30 μm)는 액적-점핑이 가능한 최소 크기(~6.5 μm)보다 훨씬 더 크다. 선행연구에서는 액적-점핑 이탈 직경을 감소시키기 위해 초소수성표면에 친수성물질을 패터닝한 혼합표면을 이용하여 응축 핵형성 밀도를 증가시키는 방법을 제안하였으며, 액적-점핑 응축 열전달 효율이 최대 2배 이상 증진되는 것을 실험적으로 증명하였다. 하지만 혼합표면에서 친수성/초소수성 면적비가 증가할수록 표면과 응축액 사이의 접착력이 증가하여 액적-점핑 가능성이 감소하기 때문에 혼합표면으로 액적-점핑 응축 성능을 증진시키는데 한계가 있다. 따라서 액적-점핑 성능을 더욱 증진시키기 위해서는 기존과는 다른 새로운 방법의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 응축 핵형성밀도를 증가시킴과 동시에 응축액이 자발적으로 표면에 수평한 방향으로 이동하게끔 유도해서 응축액들간의 접촉을 촉진시키는 방법을 고안하였다. 이미 자연현상을 통하여 응축액의 자발적인 이동에 의해 응축액들간의 접촉이 촉진된다는 사실이 알려져 있다. 선인장 가시에서는 가시 모양의 비대칭성 때문에 응축액이 성장하면서 자발적으로 이동하는데, 이 때 이동하는 응축액은 주변의 다른 응축액과 접촉 기회가 늘어나기 때문에 다른 응축액들을 흡수하면서 빠르게 성장한다. 최근에는 선인장 가시의 비대칭성을 모사한 응축 표면이 개발되어, 응축액의 자발적인 이동 현상으로 수분 수집 성능이 크게 증진된다는 것이 보고되었다. 하지만 선인장 가시에서 응축액이 자발적으로 이동하는 현상은 표면의 접촉각이 약 90도 일 때 발생하기 때문에 액적-점핑을 구현하기 위한 초소수성표면(접촉각 150도 이상)에는 적용할 수 없다. 따라서 초소수성표면에서 응축액을 표면에 수평한 방향으로 이동시키기 위한 새로운 방법 개발이 필요하다. 본 연구에서는 젖음성 이론을 이용한 모델을 개발하여 초소수성 V 모양 구조를 이용하면 응축액을 자발적으로 이동시킬 수 있다는 것을 예측하였다. 그리고 예측 결과를 바탕으로 초소수성 V 모양 구조를 배열한 새로운 초소소수성 응축 표면을 설계하였다. 이 표면에는 초소수성 V 모양구조가 지그재그 형태로 반복되어 있으며, 마이크로크기의 응축액들을 자발적으로 이동시켜서 특정 영역에 모을 수 있도록 지그재그 구조가 배열되어 있다. 즉, 마이크로크기의 응축액들을 한곳으로 모아서 상호 접촉을 촉진시키고자 초소수성 지그재그표면을 설계하였다. 초소수성 지그재그구조 표면을 제작하기 위해 구리 기반의 마이크로/나노 이중구조 제작 기술을 이용하였다. 지그재그구조의 높이는 약 15 μm, 구조 간의 간격은 약 20 μm로 약 20 μm 크기의 응축액들을 한 곳으로 모을 수 있게 제작되었다. 가시화 실험을 통해 지그재그구조 표면과 기존 초소수성표면에서의 응축액의 거동을 비교 분석한 결과, 지그재그구조 표면에서 응축액들의 자발적인 이동 현상에 의해 액적-점핑이 촉진되는 것을 확인하였다. 지그재그구조 표면에서 액적-점핑 빈도가 1,600% 이상 증진되었고, 평균 액적 이탈 직경은 절반 이하로 감소하였다. 그리고 표면에서 제거되는 응축액들의 누적 체적을 비교한 결과, 지그재그구조 표면에서 단위시간당 누적 응축수량이 약 80% 많은 것을 확인하였다. 또한 본 연구에서는 마이크로-나노 이중구조를 갖는 초소수성표면에서 응축액의 자발적인 이동 현상의 원리와 효과를 분석하였다. 젖음성 이론을 기반으로 모델을 개발하여 개발된 표면에서의 응축액의 탈착 현상을 설명하였고, 탈착 현상에 의한 액적과 표면사이의 접착력 감소 효과를 계산하였다. 그리고 개발된 표면에서 관찰된 독특한 액적-점핑 현상(하나의 핵형성 지점에서 생긴 응축액 두개가 서로 뭉쳐서 점프하는 것)을 켈빈 식(Kelvin’s equation)과 젖음성이론을 이용해서 설명하였다. 따라서 본 연구는 초소수성 지그재그표면을 개발하여 저온 증기의 응축 성능을 크게 증진시킬 수 있는 새로운 방법을 제안했을 뿐만 아니라, 이중구조 초소수성표면에서 액적-점핑 응축 현상에 대한 이해를 제공함으로써 향후 저온 증기 응축 효율을 더 증진시키는데 기여할 것으로 기대된다.

Continuous Microfluidic Process for Electroporation and Extraction of Microalgal Cells

김보람 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

본 논문은 미세조류의 전기천공과 추출을 위한 연속 미세유체공정의 개발에 관한 연구이다. 본 연구에서는 미세조류의 바이오매스와 바이오리파이너리 경제성 확보를 위해 업스트림(upstream)과 다운스트림(downstream) 관점에서 공정 개선을 위한 미세유체시스템을 개발하였다. 제 1장에서는 미세유체 기반의 미세조류 연구에 대해서 전반적으로 다루었으며, 미세조류의 바이오매스 및 바이오리파이너리 공정을 업스트림과 다운스트림으로 분류하여 경제성확보를 위해 개발된 다양한 미세유체 시스템에 대해서 설명하였다. 또한 기존 보고된 연구 결과를 기반으로 본 학위 논문에서 다루고자 하는 연구의 전반적인 개요를 제시 하였다. 제 2 장에서는 업스트림관점에서 우량 균주 제작을 위한 새로운 도구의 필요성을 인지하고 미세유체기반의 형질전환 장치를 개발하였다. 동물세포와 달리 두꺼운 세포벽으로 형질전환 효율이 낮은 미세조류는 외래유전자의 저항성이 높아 유전 또는 대사 공학적 균주의 개량에 한계가 있다. 이와 같은 한계점을 극복하고자 전극 사이의 간격을 줄이고, 세포가 직접적으로 전극면과 닿지 않게 함으로써 세포 생존율이 높은 폴리이마이드 필름 기반의 전기 천공 장치를 개발하였다. 결과적으로 상용화 제품과 비교하여 약 50배 긴 지속시간에서 우수한 세포 생존율과 개선된 전달 효율을 검증하였다. 또한 ptCrCFP 외래 유전자를 주입하여 형질전환체의 제작을 형광단백질 발현과 PCR로 검증함으로써 실제 미세조류의 유전공학 장치로서의 응용 가능성을 확인하였다. 게다가 장시간 장치 사용에 따른 전극면 손상도와 전달 효율을 측정하여 3시간 동안 장치를 사용하였을 때 얻을 수 있는 콜로니의 수를 이론적으로 계산함으로써 형질전환의 한계를 확률적으로 개선 할 수 있는 연속미세유체 장치의 활용 가능성을 제시하였다. 제 3장에서는 미세조류 바이오매스와 바이오리파이너리 다운스트림 공정에서 갖는 에너지 대비 낮은 추출 효율 개선을 위한 연속흐름방식의 세포의 분리 미세유체장치를 개발하였다. 항산화 물질로 잘 알려진 아스타잔틴은 의학, 기능성식품, 사료, 화장품 등 응용 가치가 높아 전세계적으로 시장이 커지고 있는 추세이다. 특히, 자연유래 아스타잔틴은 합성 아스타잔틴 대비 안정성과 항산화활성도가 우수하기 때문에 관심도가 높아지고 있다. 그러나 합성 아스타잔틴 대비 낮은 경제성은 자연유래 아스타잔틴 시장의 한계이므로 생산성 증대 또는 추출 효율 증대와 같은 다양한 접근법을 통해 극복해야 할 문제이다. 본 연구에서는 세포 크기별 분리 공정 개발을 통해 아스타잔틴 함유량이 가장 높다고 알려진 Haematococcus.pluvialis의 추출률을 개선하고자 한다. 나선형 미세유체 채널 내부의 유동과 이차관성으로 발생하는 Dean 유동은 크기에 따라 세포가 받는 전체 힘이 달라 측면 이동을 유도한다. 결과적으로 출구의 위치에 따라 세포의 크기가 다르게 분리됨을 검증하였으며, 추가적으로 분리된 세포들은 유체역학 유동에 의해 발생하는 전단응력에 의해 아스타잔틴이 쉽게 추출됨을 검증하였다. 특히, 지용성 물질인 아스타잔틴은 구조적 특성으로 물상에 노출 되었을 때 액적을 형성하며 다른 물질과 혼합되지 않기 때문에 정제 공정에 소모되는 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 미세유체 기반의 미세조류 추출 연속 공정 시스템은 큰 세포만을 선별하여 추출 효율을 증진시키고 작은 세포는 추가 배양 공정을 통해 추가 아스타잔틴 축적 후 추출하는 공정으로 응용이 가능하며 배양에 소모되는 시간을 감소함으로써 전반적인 다운스트림 공정을 개선 할 수 있는 혁신적인 제안이 될 것으로 기대한다. 제 4장에서는 본 학위 논문에서 수행한 연구에 대해서 요약하고 개발된 장치의 응용 가능성과 향후 전망에 대해서 제시하였다. In this thesis, a novel continuous microfluidic platform capable of precise control of hydrodynamic flow was developed and applied to upstream and downstream of the biomass and biorefinery in two distinct studies. Chapter 1 covers the study of microalgae based on microfluids, and describes various microfluidic systems developed to improve the process by classifying the biomass and biorefinery processes of microalgae into upstream and downstream. Also, based on the previously reported research results, an overall overview of the research in this dissertation was presented. In Chapter 2, we recognized the need for a new tool for producing a superior strain from an upstream perspective and developed a microfluidic transformation device. Unlike animal cells, microalgae that have low transformation efficiency due to thick cell walls and high resistance to foreign genes. Thus have limitations in improving genetic or metabolic engineering strains. In order to overcome such limitations, an electroporation device with high cell viability based on a polyimide film was developed by reducing the gap between electrodes and preventing the cells from directly contacting the electrode surface. As a result, excellent cell viability and improved delivery efficiency were verified at a duration approximately 50 times longer than that of commercial products. In addition, the production of transformants by ptCrCFP foreign genes was verified by fluorescence protein expression and PCR to confirm the applicability of actual microalgae as a genetic engineering device. The result of damage on surface of electrodes demonstrated that possibility of reuseable device. In Chapter 3, we developed a microfluidic device for separating cells in a continuous flow method to improve the extraction efficiency with low consume energy in the microalgae biomass and biorefinery downstream processes. Astaxanthin, well known as an antioxidant, has high application value in medicine, functional food, feed and cosmetics, and the market is growing worldwide. In particular, natural astaxanthin is of increasing interest due to its superior stability and antioxidant activity compared to synthetic astaxanthin. However, lower economic efficiency than synthetic astaxanthin is a limitation of the naturally derived astaxanthin market, which is a problem that must be addressed through various approaches such as increased productivity or increased extraction efficiency. In this study, we aim to improve the extraction rate of Haematococcus.pluvialis, which is known to have the highest astaxanthin content, through the development of a separation process by cell size. The flow inside the micro channel and the secondary inertial Dean flow generated by spiral channel induces lateral movement due to the different total force received by the cells depending on the size. As a result, cells was separated differently according to the location of the outlet, and additionally, the separated cells easily extracted astaxanthin by shear stress generated by hydrodynamic flow. The developed continuous process-based microfluidic system includes a sequential process strategy to improve overall downstream processes. The separated large cells flow directly to the extraction process, and the small cells can flow to the additional culture process as a supplementary step and then to the final extraction step. As such, the passive-based separation system is expected to be applicable to a large-scale system because of the high throughput compared to an active separation system based on optical analysis of a single cell. The innovative platform and results presented in this thesis provide new tool to overcome limitation of transformation in the challenging area of upstream, and provide insight that can improve downstream.

원자로 정지를 방지하는 소외전원상실 관리

김성겸 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

A loss of offsite power event in a nuclear power plant resulting from the loss of connections to the electrical grid can be effectively managed without resulting in an unscheduled reactor trip, provided the reactor operates at a reduced power level and the heat is dissipated properly through steam generators operating with the auxiliary feedwater system. We have developed effective procedures for managing such house load operations that will maintain a stable steam generator water level using the auxiliary feedwater system. The procedures are based on a first-principle energy balance with the heat flux from the primary to the secondary side represented through an average primary system temperature. The reduced order model has been validated through actual simulations of steam generator dynamics with the MARS-KS code. With the help of the reduced order model, various scenarios or tracks involving judicious combinations of reactor power, reactor coolant flowrate and steam generator feedwater flowrate that could support stable house load operations are simulated and summarized as an operating procedure in a multi-path event tree structure. In order to apply our method to real nuclear power plants, we need to account for statistical fluctuations in the MARS-KS data together with uncertainties in the reduced order model prediction of the water level. A Kalman filtering algorithm has been developed to generate an optimal estimate of steam generator water level as part of an operational support system. For the stable house load operation cases and simple transient cases, the linear Kalman filtering formulation was applied to yield sufficiently accurate system estimates for the management of loss of offsite power without reactor trip.

산업에서 딥 러닝 기반의 텍스트 spotting 알고리즘

구교권 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

In this thesis, deep learning-based text spotting algorithms are studied to identify product identification number which is rotated with various angles. To demonstrate the validity of two text spotting algorithms, a billet identification number (BIN) data set is used. The BIN is a product number that is given to discriminate against the wanted product from the others because of similar shapes of billets. Before final or next process, BIN should be checked to prevent mixing billets of different material. There are two types of BINs such as paint type and sticker type. In addition, the BIN comprises seven to nine alphanumeric characters except the letters I and O. The BIN may be rotated with various angles. The first algorithm used a deep learning network that was trained with non-rotated product numbers. The network is fed with candidate images including a non-rotated product number. And then, the output with the largest score results as the estimated product number. Specifically, interpretation and sticker extraction modules are developed. Furthermore, the fully convolutional network (FCN) with deconvolution layer is used and optimized. To increase the BIN recognition accuracy, the FCN was simulated for various structures and was transferred from the pre-trained model. The BIN is identified by the trained FCN model and interpretation module. If the BIN is sticker-type, it is inferred after the sticker region is extracted by the sticker extraction module. The accuracy of the proposed system was shown to be approximately 99.59 % in an eight-day period. While the first algorithm used a deep neural network as a component, the second algorithm was focused on a deep neural network. A product number is determined not only by the classes of individual characters but also by their order. Furthermore, the classes and order of individual characters are invariable even when the product number is rotated. Inspired by this concept, a novel deep neural network framework was proposed. The proposed network had two outputs. One is for the classes of individual characters, and the other is for the order of individual characters (or positioning within the product number). As compared with the first algorithm, the proposed network requires one more annotation but does not require additional labor for labeling. The multi-task for two annotations plays a positive role in the representation learning of a network. It is shown in the experimental result. Furthermore, to achieve good performance of the BIN identification, we analyzed various networks of the proposed framework. And then the second algorithm was compared with the first algorithm to evaluate the performance of the BIN identification. 본 논문은 텍스트 spotting 알고리즘들에 관한 것이다. 텍스트 spotting 이란 텍스트 탐지 (detection)와 인식 (recognition)을 합친 것을 의미한다. 컴퓨터 비전 분야에서 텍스트 spotting은 영상의 이해을 위해 필수적인 것 중 하나이다. 요즘 컴퓨터 비전 분야에서 딥러닝이 큰 성공을 이루고 있다. 그래서 딥러닝을 활용한 텍스트 spotting 알고리즘들이 많이 연구되어 왔다. 한편, 산업 분야에서 공장자동화을위해서는 제품을 식별하여야 한다. 이를 통해 서 제품의 실시간 추적을 통해서 효율적인 제품 관리와 생산을 할 수 있다. 이러한 제품 식별을 위해서 제품은 고유의 제품번호를 가진다. 철강 산업에서도 공장 자동화를 위한 제품 번호 인식이 매우 중요하다. 빌렛과 같은 반제품은 최종 제품을 위한 공정 전에 식별되어야 한다. 겉보기에는 비슷하게 생겼지만 고객의 요구에 따라 다른 성분을 가지기 때문에 섞이게 된다면 큰 손실이 발생하게 된다. 빌렛은 단면이 사각형인 긴 바 형태의 철강 반제품이다. 그리고 그 단면에 빌렛 식별 번호가 적혀 있다. 그래서 빌렛은 컨베이어 벨트로 옮겨져서 다음 공정으로 전달되는데, 그 때 빌렛의 단면 영상은 획득된다. 이를 식별하여 원하는 빌렛이 전달되는지를 확인한다. 영상에서의 빌렛 식별 번호는 다양한 방향으로 회전되고 긁힘이나 번짐 등이 발생할 수 있다. 그리고 빌렛 식별 번호는 페인트형과 스티커형으로 나뉜다. 그 중에서 스티커형 빌렛 식별 번호는 발생빈도가 적어서 데이터량이 적다. 그래서, 본 논문에서 빌렛 식별 번호 인식을 위한 딥러닝을 활용한 2 가지 텍스트 spotting 알고리즘들을 제안하였다. 첫번째 알고리즘은 회전하지 않은 빌렛 식별 번호를 학습한 네트워크를 활용한다. 그리고 이를 활용하여 빌렛 식별 번호를 인식하기 위해서 interpretation과 sticker extraction 모듈을 설계하였다. 후보가 될 수 있는 4가지 방향으로 영상을 페인트형 회전되지 않은 빌렛 식별 번호를 학습한 네트워크의 입력으로 한다. 그 출력들로부터 나온 인식 결과와 인식 점수를 가지고 최종 빌렛 식별번호가 추정된다. 또한 부족한 스티커형 빌렛 식별번호를 학습하기 위해서 유사 스티커를 만들어서 data augmentation을 했다. 마지막으로 네트워크 구조의 최적화와 transfer learning을 적용하였다. 8일 동안 실제 현장에 적용 했을 때 99.58848 %의 정확도를 보였다. 하지만 첫번째 알고리즘은 계산량이 무겁고 파라미터 설계에 따라 다른 성능이 나올 수 있다. 그래서 두번째 알고리즘으로 하나로 통합된 뉴럴 네트워크를 제안하였다. 빌렛 식별 번호에서 각 문자마다 종류와 순서는 빌렛이 회전하여도 변하지 않고 이 2가지 정보로부터 빌렛 식별 번호를 추정할 수 있다. 이것은 기반으로 하나의 영상으로부터 2가지 출력을 가지는 네트워크를 제안하였다. 하나는 각 문자의 종류에 관한 것이고, 다른 하나는 각 문자의 빌렛 식별번호에서의 순서 또는 위치에 관한 것이다. 이 네트워크는 깊이나, fusion, dropout, group normalization에 대해서 최적화 되었다. 그 결과로 페인트형, 스티커형 빌렛 식별 번호에 대해서 각각 99.372 %, 99,793 % 로 첫번째 알고리즘 98.991 %, 98.551 % 보다 좋은 인식률을 보였다.

천연 제올라이트로부터 NaP 제올라이트의 합성 및 Cs, Sr, Ni의 제거 효율과 실용성을 높이기 위한 연구

홍석주 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내석사

For the higher radionuclide removal efficiency, we synthesized the NaP zeolite from the Korean natural zeolite (mainly clinoptilolite and mordenite) using ‘Top-down approach’ synthesis method. Also, using ‘Top-down approach’ synthesis method, it has succeeded in synthesizing the block-size NaP zeolite for the actual application. Natural zeolite was modified by hydrothermal reaction using 3M of NaOH solution with various reaction times. All modification processes were conducted using simple HDPE bottles in a 96ºC oven to enhance practicality rather than using a Parr reactor. After the modification, natural zeolite was converted to NaP zeolite, and this was confirmed with XRD results. Through a BET analysis, we confirmed that NaP zeolite (95.949m2/g) has a three times more specific surface area than natural zeolite 31.349m2/g). Furthermore, an NLDFT analysis also confirmed that NaP zeolites have much more micropores (< 2 nm) than natural zeolite. This is because, during the modification process, a high pH of NaOH solution dissolved the Si in the zeolite and created a large amount of empty space. Time-dependent XRD, FT-IR, XRF, and SEM analysis were performed to understand the procedure of the zeolite transition (from natural zeolite to NaP zeolite). First and foremost, we confirmed that the XRD crystal peak of the natural zeolite was decreased (decrystallization phase), and second, the NaP zeolite XRD crystal peak was increased gradually (recrystallization phase). From the XRF results, it was confirmed that the dissolution rate of Si was slow in the recrystallization phase and rapid in the decrystallization phase. Also, in the FT-IR results, there was a large peak shift between the recrystallization phase and the decrystallization phase. Therefore, we concluded that decrystallization and recrystallization process by NaOH solution are the main mechanisms of zeolite transition. The maximum removal capacity of each zeolite was obtained under D.I. water conditions to compare the radionuclide removal efficiency of natural zeolite and NaP zeolite. For Cs+, the natural zeolite (39 mg/g) was slightly higher than the NaP zeolite (37 mg/g) but did not show any significant difference. However, for Ni2+, the NaP zeolite (28.0 mg/g) showed a much higher removal efficiency than natural zeolite (5 mg/g). For Sr2+, the removal efficiency of natural zeolite (from 4.9 mg/g to 16.3 mg/g) depended on the particle size; however, NaP zeolite (27.8 mg/g) showed higher removal efficiency than the natural zeolite. The removal efficiencies of Cs+ and Ni2+ were not affected by the zeolite’s particle size. The main Cs removal mechanisms by natural zeolite are a cation exchange and physical capture by pore size of mordenite and clinoptilolite. One of the Cs removal mechanisms of NaP zeolite is considered as cation exchange, however, further mechanisms should be investigated. The main Sr removal mechanism of both natural zeolite and NaP zeolite is surface complexation, and also, NaP zeolite is known to have high affinity with Na+ ↔ Sr2+ ion exchange. The removal of Ni actually highly depends on the pH. Therefore, considering the pH of the solution containing each natural zeolite and NaP zeolite, the main Ni removal mechanism of natural zeolite is surface precipitation. Finally, to enhance practicality, block-sized NaP zeolite was prepared. Block zeolite is easier to handle and modify. This solves the various problems and costs regarding turning powder into a pellet. However, due to the size effect (particle size and surface area are inversely proportional), the radionuclide removal efficiency of NaP zeolite may be inferior to that originally tested using the powder and granular NaP zeolite. Therefore, the simulated waste solution was prepared with Hanbit groundwater containing 10 ppm and 100 ppm of Cs+, Sr2+, and Ni2+ simultaneously, and the batch sorption test results according to the size of the NaP zeolite were compared. The results all showed a removal efficiency of 98% or more without any significant reduction in the removal efficiency. This is because even if it is block-sized NaP zeolite, the modified NaP zeolite becomes more porous material than natural zeolite. It means that the size effect was not influential in our block-sized NaP zeolite, expecting to be used practically in the real industrial field. 한국에는 클리놉틸로라이트와 모데나이트 계열의 제올라이트로 구성된 천연 제올라이트가 산출된다. 본 논문에서는 한국의 천연 제올라이트의 핵종 제거 효율을 높이는 것과, 실질적으로 사용할 수 있는 방안을 모색하는 연구를 중점적으로 수행하였다. 천연 제올라이트는 3M의 NaOH solution를 이용한 열수 반응을 통해 NaP 제올라이트로 개량하였다. 모든 개량은 실용성을 높이기 위해서 철제 반응 용기를 사용하지 않고, 96도 이하의 온도에서 단순한 HDPE bottle을 사용해 개량하였다. NaP 제올라이트로 변환후 BET 분석을 통해, NaP 제올라이트가 천연 제올라이트에 비해 3배 많은 공극부피와 비표면적을 갖는다는 것을 확인하였다. 또한 NLDFT 분석을 통해, NaP 제올라이트가 천연 제올라이트보다 훨씬 더 많은 micropore를 갖고 있음을 확인하였다. 이는 열수반응과정에서 NaOH 용액의 높은 pH에 의해 Si가 녹으면서 빈 공간이 많이 생겼기 때문이다. 천연 제올라이트가 NaP 제올라이트로 변화하는 과정을 알아보기 위해 시간에 따른 XRD, FT-IR, XRF, 그리고 SEM 분석을 실시하였다. XRD 결과를 통해, 1차적으로 천연 제올라이트의 crystal peak이 감소하고 (Decrystallization phase), 2차적으로 새롭게 NaP 제올라이트 crystal peak이 증가하는 (Recrystallization phase) 것을 확인하였다. XRF 결과에서는 Decrystallization phase에서는 Si가 급격하게 용융하는 반면, Recrystallization phase에서는 Si의 용융이 매우 느리다는 것을 확인했다. FT-IR 결과에서 또한 Recrystallization phase와 Decrystallization phase 사이에서 큰 peak shift가 발생했음을 확인할 수 있었다. 따라서 우리는 NaOH에 의한 decrystallization과 recrystallization이 천연 제올라이트를 NaP 제올라이트로 바꾸는 주된 Mechanism이라 결론지었다. NaP 제올라이트와 천연 제올라이트의 핵종 제거 효율을 비교하기 위해서 Deionized water 조건에서 최대 흡착량을 산출하였다. Cs의 최대 흡착량의 경우, 기존의 천연 제올라이트(39mg/g)가 NaP 제올라이트(37mg/g)보다 약간 높았으나 큰 차이를 보이지 않았다. 반면 Ni의 경우, NaP 제올라이트(28.0mg/g)가 천연 제올라이트(5mg/g)보다 훨씬 높은 제거효율을 보여주었다. Sr의 경우, 천연 제올라이트 사이즈에 따라 제거 효율이 달랐지만 (4.9~16.3mg/g), NaP 제올라이트(27.8mg/g)의 높은 제거율에는 미치지 못했다. 흡착 전후의 pH 변화와 여러 문헌들을 토대로 천연 제올라이트와 NaP 제올라이트의 Cs, Sr, Ni 제거 메커니즘에 대해서도 알아보았다. 천연 제올라이트가 Cs을 제거하는 주요 메커니즘은 클리놉틸로라이트와 모데나이트에 의한 공극포획이다. 반면에 NaP 제올라이트가 Cs을 제거하는 주요 메커니즘은 양이온 교환이지만, 양이온 교환만으로는 NaP 제올라이트의 Cs 제거 효율을 모두 다 설명할 수 없어서 추가적인 연구가 필요하다. 천연 제올라이트가 Sr을 제거하는 주요 메커니즘은 표면복합체 반응이다. 때문에 천연 제올라이트의 입자 사이즈에 따라서 Sr의 제거 효율이 크게 변한다. 반면 NaP 제올라이트는 표면적도 천연 제올라이트보다 훨씬 넓은데다가, Na과 Sr사이의 이온 교환도 활발하게 발생하는 것으로 알려져 있다. Ni 제거의 경우, pH가 중요한 영향을 준다. 천연 제올라이트가 들어간 용액은 중성으로, 이러한 pH 구간에서는 주로 outer-sphere complexation이나 약간의 inner-sphere complexation, 이온교환이 발생할 수 있다. 반면 NaP 제올라이트가 들어간 용액은 약 알칼리성으로 이러한 pH 구간에서는 표면 침전 (Surface precipitation)이 주요 메커니즘으로 작용한다. 마지막으로는 실용성을 높이기 위해 block size의 NaP 제올라이트를 만들었다. block size로 NaP 제올라이트를 만들어 사용하게 되면 개량 및 다루기가 용이해진다. 뿐만 아니라, 가루를 펠렛(pellet)으로 만들 때 발생하는 여러 비용과 문제점을 한 번에 해결할 수 있다. 그러나 입자의 크기가 커질수록 표면적이 줄어드는 size effect로 인하여 핵종 제거효율이 당초 powder를 사용하여 실험했던 것보다 나빠질 수 있다. 그래서 실제적인 조건을 모사하여 실제 한빛 지하수를 가지고 10ppm과 100ppm의 Cs, Sr, Ni이 동시에 들어있는 모의 폐액을 제조한 다음, NaP 제올라이트의 사이즈에 따른 흡착 성능을 비교하였다. 그 결과 뚜렷한 제거 효율의 감소 없이, 모두 98% 이상의 제거효율을 보여주었다. 이는 block size라 하더라도, 우리가 개량한 NaP 제올라이트 자체가 다공성 물질이기 때문에 크기에 의한 영향이 거의 발생하지 않았기 때문인 것으로 보인다. 향후에는 NaP 제올라이트가 Cs을 제거하는 메커니즘을 실험적으로 입증하거나, 지하수가 아닌 실제 폐액에 적용하는 실험 등을 추가로 진행해보고자 한다.

이상 혼합 영역의 거동이 용융물 제트 파편화에 미치는 영향 연구

정우현 포항공과대학교 일반대학원 2020 국내박사

The melt jet breakup is an important phenomenon for assessment of the severe accident, which is highly related with the debris bed coolability. Thus, the melt jet breakup phenomenon was investigated considering the two-phase mixing zone behavior. Two major parameters were studied, the jet breakup length and the particle size distribution. The effect of the vapor generation intensity, which represents the two-phase mixing zone behavior, was investigated through the MATE facility by controlling the temperature conditions of the melt and the water. The melt jet breakup behavior was observed by visualization using high speed cameras. According to the experimental observation, the influence of the vapor generation intensity was confirmed. As the vapor generation intensity increases, the jet breakup length became longer. Therefore, the new parameter for the vapor generation intensity was developed as the ratio of the vapor generation heat flux to the vapor condensation heat flux by the form of Jakob number ratio. Moreover, the new jet breakup length correlation was developed including the vapor generation intensity parameter in order that the existing correlations (Saito correlation and Epstein correlation) could be integrated into single correlation. The particle size distribution inside the debris bed was revisited by introducing the rearrangement phenomenon of small particle by steam flow. To predict the minimum particle diameter inside the debris bed, the fluidization concept was applied and the minimum particle diameter model was derived using the minimum fluidization velocity correlation. The minimum particle diameter model was applied in the truncated Rosin-Rammler distribution. In conclusion, the 1-D top flooded debris bed DHF calculation was performed in investigate the influence of the minimum particle diameter on coolability. Through consideration of the two-phase mixing zone or the steam flow in the new jet breakup length correlation and particle size distribution model, the uncertainty of the debris bed coolability could be reduced. Also, more realistic approach on the melt jet breakup phenomenon and the debris bed coolability could be possible.