유전체 공진 발진기 설계 및 제작

최민 홍익대학교 대학원 2001 국내석사

본 논문은 Ku-band(12.4-18GHz) 위성통신 시스템 및 이동통신 중계기의 마이크로파 송수신부에 사용되는 고안정도 위상고정 유전체 공진 발진기(Phase Locked Dielectric Resonator Oscillator)의 설계와 구현에 관한 것이다. High-2의 유전체 공진기(Dielectric Resonator)를 이용하여 구현된 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator)는 13GHz 대역의 FLDRC를 구현하기 위해 Varactor Diode를 이용하여 전압가변 유전체 공 진 발진기(Voltage controlled Dielectric Resonator Oscillator)로 동작하며, VCDR0의 출력신호를 Sampling Phase Detector를 이용하여 lOMHz 크리스탈 발진기 신호에 위상 고정시켜 높은 주파수 안정도와 우수한 위상잡음 특성을 나타내게 한다. 본 논문에서는 13.4GHz DR0를 구현하여 Oscillator의 위상잡음 개선효과를 측정을 통해 확인하였다. In this thesis, a dielectric resonator oscillator (DRO) has been designed and fabricated for Ku-band (12.4-18 GHz) microwave system of satellite communication system. The employed dielectric resonator has a dielectric constant of 38 and a quality factor (Q) of 42,000. A voltage controlled dielectric resonator oscillator (VCDRO) has been designed with DRO and varactor diode to realize a phase locked dielectric resonator oscillator (PLDRO). A sampling phase detector and 10MHz crystal oscillator will be utilized in a PLDRO. The fabricated DRO has a center frequency of 13.64 GHz and an output power of -2.72dBm. It also has a good frequency stability. Therefore, it is expected that the DRO designed in this thesis will be successfully utilized in the design of a PLDRO in a near future.

비방사유전체선로용 유전체 공진기 세라믹스에 관한 연구

박혜영 경성대학교 대학원 2004 국내석사

최근 멀티미디어 시대가 도래함에 따라 정보의 표현형태가 텍스트에서 그래픽으로, 그리고 다시 그래픽에서 동영상으로 변하면서 점차 컨텐츠의 내용이 섬세해지고 고해상도의 칼라 동영상으로 고급화되어 가고 있는 추세에 있다. 이와 같이 통신 정보 데이터의 양을 높이기 위해서는 사용주파수를 높여가야 하나, 주파수를 높이게 되면 파장이 짧아지기 때문에 손실이 발생하는 등의 문제점들이 발생하게 된다. 일반적으로 마이크로파 이상의 대역을 처리하는 기술로 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)방법을 생각할 수 있으나, 이 기술은 사용주파수가 60 GHz정도 될 경우에는 전송 손실이 1m에 60 dB 정도로 되어 회로제작에 큰 어려움이 발생된다. 한편 유전체를 사용한 비방사유전체선로(Nonradiative dielectirc waveguide)를 만들어 밀리미터웨이브 회로를 제작하게 되면, 전송손실이 1m에 3 dB 정도로 상대적 손실이 적어 손쉽게 밀리미터 웨이브 장치를 제작할 수 있게 된다. 비방사유전체선로기술이란 수지와 같은 유전체 재료로 선로를 만들어 그 선로를 따라 신호가 흐르게 하고, 그 유전체 선로를 금속으로 감싸 유전체를 따라 흐르는 전송파가 방사되지 않게 하는 기술로, 전도체를 따라 신호가 흐르고 절연체가 신호의 누설을 방지하는 기존의 기술방식과 큰 차이를 보이는 기술이다. 최근에는 이 비방사유전체선로기술을 이용하여 고주파 대역의 무선 통신 디바이스 개발이 진행되고 있는데, 디바이스 개발 방향은 비방사유전체선로 사이에 유전체 공진기를 삽입하는 기술로 진행되고 있다. 최근 비방사유전체선로에 삽입되는 유전체 공진기의 재료로 MgTiO_(3)-CaTiO_(3)계 화합물이 사용되어지고 있다. 이 재료는 기존의 상용 마이크로파 유전체 재료로 손쉽게 구할 수 있었기 때문에 먼저 유전체 공진기로 제작되어 비방사유전체선로에 삽입되어지고 있다. MgTiO_(3)-CaTiO_(3)계 화합물로 제작된 유전체 공진기를 삽입시켜 비방사유전체선로에서 측정한 품질계수 특성은 삽입 손실이 크고, 품질계수가 낮게 측정되어 전송 손실이 커지는 결점이 발생하고 있다. 본 연구에서는 이 결점을 보완하기 위해 마이크로파 유전체 세라믹스 중 품질계수값을 가장 높게 가지는 Ba(Mg_(1/3)Ta_(2/3))O_(3)(이후로 BMT라고 한다)에 관심을 가지게 되었다. 본 연구에서는 BMT의 소결밀도를 높이기 위해 소개된 여러 방법들 중 소결첨가제인 BaWO_(4)를 첨가시켰다. 소결첨가제가 첨가된 BMT와 순수 BMT의 하소온도와 소결온도에 따른 XRD 측정과 소결밀도 변화에 대해 살펴보았다. 또, 소결밀도가 우수한 BMT로 유전체 공진기를 제작하여 최근 사용되어지고 있는 MgTiO_(3)-CaTiO_(3)계 화합물로 제작된 유전체 공진기와의 특성을 비교해 보고, BMT의 비방사유전체선로 삽입용 유전체 공진기로의 적용성을 검토하였다. 본 연구의 실험방법은 출발 원료로 BaCO_(3)(CERAC, 99.9%), MgO(CERAC, 99.5%), Ta₂O_(5)(CERAC, 99.5%)를 사용하여 혼합한 후 1150℃와 1200℃에서 각각 10시간 동안 하소시켜 순수 BMT를 합성하였다. 5 wt% BaWO_(4)가 첨가된 BMT는 우선 BaWO_(4)를 BaCO_(3)(CERAC, 99.9%)와 WO_(3)(WAKO, 99.9%)를 혼합하여 BaWO_(4)를 합성시키고, BMT에 5 wt% BaWO_(4)를 첨가시킨 후 혼합한 후 1150℃와 1200℃에서 각각 10시간 동안 하소시켜 5 wt% BaWO_(4)가 첨가된 BMT 합성하였다. 순수 BMT 분말과 소결첨가제가 첨가된 BMT 분말의 소결 특성을 살펴보기 위해 2000 kg/㎠의 압력으로 직경 10mm, 두께 5mm의 디스크형 성형체를 제조하였으며, 실제 공진기 속에 응용되는 시편의 제작을 위해 2000 kg/㎠의 압력으로 직경 2.75mm, 두께 약 0.5mm의 디스크형 성형체를 제조하였다. 제조한 성형체를 1550℃, 1600℃, 1650℃ 각각의 소결온도에서 4시간 동안 소결시켰다. 소결시킨 성형체의 소결밀도를 측정하였다. 또, 각 단계별로 하소시킨 소결첨가제를 첨가시키지 않은 BMT 분말과 소결첨가제를 첨가시킨 BMT 분말의 단상을 확인하기 위해 XRD를 측정하였다. 각각의 소결온도로 소결시킨 소결체도 미분쇄하여 BMT 단상 확인을 위해 XRD를 측정하였다. 그리고 BMT로 제작된 유전체 공진기가 삽입된 비방사유전체 선로를 제작한 뒤 network analyzer를 사용하여 BMT의 공진특성을 측정하였다. 본 연구에서는 순수 BMT와 5 wt% BaWO_(4)가 첨가된 BMT의 단상을 확인한 후 소결밀도의 변화와 공진특성을 살펴본 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. 첫 번째로, 순수 BMT의 소결밀도는 소결온도가 높을수록 소결밀도가 증가하였다. 그러나 소결첨가제를 첨가시킨 BMT의 소결밀도는 소결첨가제의 영향으로 인해순수 BMT가 1650℃에서 나타난 높은 소결밀도가 비교적 낮은 소결온도인 1550℃에서 나타났다. 두 번째로, 밀도가 높은 BMT로 유전체 공진기를 제작하여 공진특성을 측정한 결과, 순수 BMT의 경우 소결온도가 증가하면 삽입손실이 증가하고 Qu는 감소하는 경향을 보였다. 그러나, 소결첨가제가 첨가된 BMT의 경우 소결온도가 증가하면 삽입손실이 작아지고, Qu는 증가하는 경향이 관찰되었다. 이는 성형제어의 문제점이나 공진특성 측정 시 발생하는 오차 때문이라고 생각되어진다. 마지막으로, BMT 유전체 공진기의 공진특성을 측정한 결과 MgTiO_(3)-CaTiO_(3)계 화합물 유전체 공진기에 비해 삽입손실은 훨씬 작고 Qu는 2배 이상 높게 측정되었다. 또, BMT 유전체 공진기의 공진특성 측정사진에서 공진 point 우측부분의 폭이 깊어 전파 차단성이 기존의 MgTiO_(3)-CaTiO_(3)계 화합물 유전체 공진기에 비해 우수할 것으로 예상된다. 모든 공진 특성에서 BMT 유전체 공진기의 공진 특성이 우수하게 측정되어, 앞으로 비방사유전체선로에 삽입되는 유전체 공진기 재료로서 BMT의 주목이 기대된다. Ba(Ma_(1/3)Ta_(2/3))O_(3) (BMT) and BMT with 5 mol% BaWO_(4) addition were investigated from the following aspects: the sintered denstiy and resonating properties. Calcined BMT powder and sintered BMT samples were examined using XRD. Most of XRD pattens showed peaks of BMT and secondary phase was not observable. The sintered density of pure BMT increased with increasing sintering temperature but BMT with 5 mol% BaWO_(4) additon had a higher sintered density than pure BMT at sintering temperature of 1550℃. BMT was compared with MgTiO_(3)-CaTiO_(3) ceramics for resonator properties. The insertion attenuation of BMT were 1.02∼1.58 dB lower than 1.78∼2.93 dB of MgTiO_(3)-CaTiO_(3)ceramics. BMT had the higher unloaded quality factor(Q_(u)) than MgTiO_(3)-CaTiO_(3) ceramics. Thus, BMT resonator ceramics had good properties for nonradiative dielectric waveguide

계면층이 삽입된 강유전체 박막 커패시터의 분극 반전 거동 분석

김유진 서울대학교 대학원 2012 국내석사

The recent research trend for potential applications in the field of ferroelectric memory devices can be classified into two major topics. The first one is device-scaling down, which is done to increase the memory density of the ferroelectric memory device. The second is the implementation of new non-volatile ferroelectric memory devices that have non-electrode interfaces. As the thickness and lateral size of the ferroelectric thin films decrease, the influence the interfacial effects have on the overall operation of the ferroelectric thin films becomes remarkable. Moreover, the novel branch of ferroelectric devices requires dielectric or semiconductor thin films to be stacked on top of the interface of the ferroelectric thin films. Therefore, there have been many reports on the fundamental aspects of these multilayer systems, and previous studies show that the interfacial effect and non-polar interface can affect the performance of ferroelectric thin films. The influence of these phenomena has been found to be detrimental in almost all cases, and any significant advances in the field were impeded by this characteristic. However, some recent studies show that interposing high quality conformal interface layers between the metal electrode and ferroelectric thin film can improve overall ferroelectric performance. Moreover, a novel functionality was observed in these materials stacks due to the interplay between the ferroelectric film and the introduced interfacial layer. In this study, the physical and chemical change and polarization reversal behavior of ferroelectric thin films with various interposed interfacial layers were investigated. At first, the abnormal growth characteristics of the ALD interfacial layers were analyzed. The initial growth of the silicon oxide interfacial layer on a PZT substrate obeyed the Volmer-Weber type island growth mechanism. The chemical state of interfacial layer, analyzed by XPS, indicated that Zr-Ti silicates were formed during the initial periods of the ALD process. In this time regime, the performances of the ferroelectric thin films were enhanced due to the improved interfacial properties at the Pb deficient PZT surfaces. When the interfacial layer thickness exceeded a specific thickness, the Pb atoms in the surface region started to diffuse into interfacial layer, forming Pb- silicates. In this regime, the growth mechanism of the interfacial layer changed to the Frank-van der Merwe type 2-dimnesional conformal films growth, and the ferroelectricity was decreased as the interfacial layer thickness was increased. Using the knowledge acquired from these preliminary experiments, the ferroelectric performance was enhaced by ~30% by optimizing the silicate interfacial layer. Second, in order to analyze the polarization switching behavior of a ferroelectric capacitor with an interposed interfacial layer, a novel method to analyze capacitance values from transient current responses was invented. When applying this new method, time dependent capacitance functions with single maximum points were obtained. Also, it was shown that each maximum point in the transient capacitance profiles was in good correspondence to the dynamic state of the ferroelectric thin films during polarization switching, meaning the analyzed capacitance value acted as ‘real’ capacitance in the ferroelectric devices. Finally, the kinetic model of polarization switching in ferroelectric thin films was reconstructed noting that s direct relation exists between the measured time dependent capacitance function and the well-known ferroelectric polarization switching kinetics. This model can be widely adapted to describe any general ferroelectric device operation which are the situations that the ferroelectric polarization switching operation systems have restriction of external current or external circuit In addition, by alternating the thickness and material of the interfacial layer, the circuit properties of the ferroelectric thin film without any interfacial layers can be analyzed. As a result, it was found that the ferroelectric thin films exhibited a so-called ‘Negative Capacitance’ during polarization switching. Theoretical studies supported that this type of ‘Negative Capacitance’ could exist indeed in suchshort polarization switching regimes. In conclusion, the interfacial layer of ferroelectric thin film can give positive effects on ferroelectric properties, and can be used as a tool to analyze novel functionalities in ferroelectric thin films. 최근 강유전체의 메모리 소자의 응용에서의 연구 경향은 크게 두 가지 항목으로 분류할 수 있다, 첫 번째는 메모리의 집적도를 높이기 위하여 행해지는 강유전체 박막의 scaling down이며, 두 번째는 FeFET, FRRAM 등과 같은 새로운 구조와 구동 메커니즘을 가지는 차세대 강유전체 비휘발성 메모리 소자의 구현이다. 문제는 강유전체의 박막 두께가 감소함에 따라 내부 또는 외부적으로 존재하는 계면 효과가 전체 강유전체 거동에 미치는 영향이 증대되고 있으며, 또한 새로운 소자의 구현에 있어서 강유전체 계면에 유전체나 반도체 물질이 적층되야 한다. 따라서 강유전체의 메모리 소자 응용 분야에서 강유전체의 거동에 있어서 계면층의 영향을 분석하는 것이 요구되고 있다. 기존 연구에서 계면의 비강유전성을 띄는 계면층이 존재할 때 강유전체의 물리적, 전기적 특성을 열화되는 것으로 알려져 있다. 하지만 최근 연구결과에 의하면 강유전체에 우수한 특성을 가지는 균일한 계면층을 강유전체 계면과 금속 전극 사이에 형성함으로써 강유전체 특성을 향상시켰다는 보고도 있으며, 유전박막과 강유전체 박막의 상호 작용을 이용하여 기존에 관찰하지 못하였던 강유전체의 새로운 특성이 발견될 수 있다. 본 연구에서는 ALD 공정을 통하여 매우 얇은 계면층을 강유전체 박막에 적층한 커패시터 구조에서의 강유전성 및 분극 반전 거동에서의 계면층의 영향을 분석하였고, 또한 계면층 형성시 강유전체 박막과 계면층간의 물리적•화학적 변화를 연구하였다. 첫 번째로 ALD를 통한 silicon oxide 계면층 형성시 비정상적인 박막 성장 거동 및 그때의 강유전체의 강유전성의 변화를 분석하였다. 계면층의 초기 박막 성장거동은 Volmer-Weber type의 island 성장 거동을 따르며, 이때의 화학적 상태는 강유전체로 사용한 PZT 계면의 Zr, Ti 원자가 계면층으로 확산되어 silicate를 형성하게 되는 것을 확인하였다. 이때 Pb 함량이 상대적으로 부족한 PZT 계면의 Zr, Ti가 ALD 공정시 형성된 계면층으로 이동함에 따라 계면에서 양이온 비율이 개선되었으며, 따라서 커패시터의 강유전성이 향상되는 결과를 얻었다. 계면층이 특정 두께 이상으로 성장하게 되면 PZT 계면에서 Pb또한 계면층으로 확산되어 Pb-silicate 가 형성되게 되며, 이때 계면층의 물리적 상태를 변화시켜 Frank-van der Merwe type의 박막 성장 거동을 통한 전체적으로 균일한 계면층이 PZT계면에 형성되는 것을 확인하였다. 이 때에는 계면층의 두께에 커짐에 따라 강유전체의 강유전성이 점점 열화되는 일반적인 경향을 따르는 것으로 분석되었다. 결과적으로 계면층 형성과정에서 강유전체의 강유전성이 크게는 30%이상 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 두 번째로 계면층이 존재할 때 강유전체 커패시터의 분극 반전 거동을 분석하기 위해 강유전체 커패시터에 사각펄스를 인가하였을 때의 전류변화를 관찰하였고, 이러한 전류변화로부터 회로의 커패시턴스 값의 변화를 추출하기 위하여 새로운 분석 방법을 고안하였다. 새로이 고안한 방법으로 강유전체의 분극 반전 전류를 재해석 하였을 때 분극 반전시 회로의 커패시턴스 값이 하나의 최대값을 가지는 시간에 대한 함수로 표현 되는 것을 확인하였다, 또 펄스의 파형과 관계없이 최대값을 나타내는 시간에서의 강유전체 커패시터의 분극반전 거동이 동역학적으로 동일한 상태를 가지는 것으로 분석되었다. 그리고 외부 저항과 외부 커패시터를 직렬로 연결하여 구성하였을 때의 커패시턴스 최대값을 분석하여 보면 새로이 고안된 방법을 통하여 구해진 커패시턴스 값이 일반적인 RC 회로 요소로서 동작하는 의미 있는 값임을 증명하였다. 세 번째로는 분석된 커패시턴스의 시간에 따른 거동이 기존 연구에서 보고한 강유전체의 분극 반전 모델과 유사성을 가짐을 주목하여, 이 둘의 연관성을 찾는 것에서부터 시작하여 본 연구에 사용된 펄스 스위칭 방법에서의 강유전체 분극 반전 모델을 재구성 하였다. 이는 외부 전류에 제한이 있을 때의 강유전체 커패시터에서 일어나는 분극 반전 모델로서 실제 강유전체 소자가 동작하는 환경과 유사하다는 점에서 의미 있는 연구 결과이다. 또한 계면층의 두께와 종류를 조작하여 분극 반전시의 강유전체의 커패시턴스 값을 분석하여 보면 분극 반전시의 강유전체는 음의 커패시터로 동작한다는 흥미로운 사실을 발견하였다. 강유전체가 스위칭 되는 짧은 순간에서 강유전체의 도메인 벽이 음의 커패시턴스를 가질 수 있으며, 동적인 상황에서의 분극 값의 변화와 강유전체 박막에 인가되는 전압으로부터 음의 커패시턴스 동작원리를 설명할 수 있다. 결론적으로 강유전체의 계면층은 단순히 강유전체의 특성을 열화시키는 것이 아닌 계면층이 존재함으로 인해서 강유전체 특성이 개선되거나 기존에 관찰하지 못하였던 강유전체의 특성을 분석할 수 있는 요소로 작용될 수 있음을 보였다.

유전체 공진기를 이용한 Pt 금속박막 두께의 비파괴 마이크로파 측정법

정호상 건국대학교 대학원 2008 국내석사

GdB4 단결정에서 4f 전자의 스핀구조와 스핀 동역학을 연구하기 위해 11B NMR 측정을 수행하였다. 핵 자기공명실험은 온도범위 5~300 K 사이에서 하였으며, 각 온도에서 11B NMR spectrum, shift, linewidth, spin-lattice relaxation time T1, spin-spin relaxation time T2를 외부 자기장(H0 = 8 T)이 시료의 c축과 평행한 상태와 수직한 상태에서 각각 측정하였다. 11B NMR spectrum을 통해서 얻은 shift와 선폭은 Gd의 4f spin moment에 영향을 받아 온도에 강한 의존성을 보이며 자화율과 비슷한 온도 의존성을 갖는다. TN 이하에서는 한 개의 peak가 여러 개의 peak로 갈라지는데 이는 국소자기장이 반강자성 스핀 정렬을 하여 내부 자기장을 만들기 때문이다. Spin-lattice relaxation rate 1/T1와 spin-spin relaxation rate 1/T2는 TN 이상에서 온도에 무관하고, TN 이하에서 급격히 수백 배 감소하본 논문에서는 초전도 박막의 마이크로파 표면저항 측정에 널리 이용되는 유전체 공진기법을 사용하여 도체 박막의 두께 측정에 관하여 기술하였다. 먼저 특성이 거의 같은 9 - 950 nm 두께의 Pt 박막을 준비하여 유효표면저항을 측정하고, 이 박막들의 두께를 step profilometer 및 TEM을 이용하여 측정하였다. 이후 두께 측정 및 고유표면저항을 측정하기 위한 유전체 공진기를 제작하고, YBCO 고온초전도체 박막을 사용하여 를 구했다. 동시에 유전체의 유전율 및 dimension을 파악하여 gap이 있는 경우 온도별 geometrical factor와 filling factor를 구하였다. 위에서 구해진 성분과 윗면, 아랫면 모두 구리를 사용해서 구리의 표면저항을 구하여 준비실험을 끝냈다. 특성이 거의 같은 다른 두께의 Pt 박막들을 차례로 가장 낮은 온도에서의 공진 주파수가 8.5 GHz, 15.2 GHz 그리고 40 GHz에서 차례로 측정하여 공진기의 QL값을 측정하여 각 온도와 주파수에 따른 유효표면저항을 구하였다. fitting으로 고유표면저항을 구한 후 240 nm 박막을 기준으로 calibration 용 Rseff data를 구했다. 이미 raw data를 모두 측정하였으므로, 각 박막에 대한 온도와 주파수에 따른 두께를 calibration data를 사용하여 구할 수 있었다. 마이크로파 측정법을 위한 calibration 작업 및 비교를 위해 준비한 Pt 박막 중 9 nm 및 35 nm와 같은 얇은 박막은 TEM으로 측정을 했고, 그 이상의 두께를 가지는 박막은 step profilometer를 사용하여 측정하였다. [그림 4-12]와 [그림 4-13]에서 보이는 것과 마찬가지로 8.5 GHz 루타일 공진기를 사용한 마이크로파 측정법은 기존의 TEM 및 step profilometer로 측정한 값과 거의 부합되는 결과를 얻을 수 있었다. 오차가 큰 경우의 대부분은 상온에서, 그리고 박막의 두께가 얇을 경우이다. 즉 QL이 작을 경우 오차도 크게 발생하는데, 이는 IL의 증가로 약한 신호가 잡음에 묻히기 때문이다. 따라서 coupling을 조절하여 보완이 가능하지만, QL이 작은 곳에서의 두께 측정은 피해야 한다. 한편, 박막의 두께가 침투깊이 이상의 값을 지니는 경우 유효표면 임피던스와 고유표면임피던스의 차이가 거의 없게 되어 측정이 곤란하게 되는데, 이는 8.5 GHz에서 측정한 950 nm 박막의 두께 차이가 많이 나는 것을 설명한다. 마이크로파 측정법은 비파괴 적으로 두께를 측정하는데 유용한 방법이지만, 그 한계나 적용범위를 명확히 알고 있지 않다. 따라서 차후 이러한 부분은 명확히 할 필요가 있다. 다양한 상황을 고려해야 하는데, 특히 주파수 별로 두께 측정의 결과가 어떻게 되는지 알아야 할 것이다. 8.5 GHz 유전체 공진기의 Pt 박막 Calibration 그래프를 보면 대부분의 두께에 대해 금속 박막의 두께가 작아지면서 유효표면저항이 증가하는 것으로 나타나지만 박막이 매우 얇을 경우 두께가 감소하면서 유효표면저항도 같이 감소하는 영역이 존재하고, 박막의 두께가 매우 클 경우 두께가 변화하더라도 유효표면저항이 거의 변하지 않게 됨을 확인할 수 있다. 따라서 측정 주파수 별로 이러한 현상이 어떻게 나타날 것인가를 예측하게 하여, 다양한 두께의 금속 박막에 대해 최적의 감도로 두께를 측정할 수 있게 해야 한다. 마지막으로 마이크로파 측정법의 적용범위가 정립되면, 단순한 두께 측정뿐만 아니라 대 면적 금속 박막 및 반도체의 두께 균일성 측정과 같은 많은 응용분야를 개척할 수 있을 것으로 기대된다. Metal film thickness has been measured by using different techniques including the ones based on Transmission Electron Microscopy (TEM), Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM). However, these techniques has a common disadvantage in that the film thickness can be determined only in an invasive way with test metal films deformed after being measured. Meanwhile, the four-point probe method, which enables to measure the sheet resistance, and other techniques based on Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS), X-ray spectroscopy, and opto-acoustics are classified as the non-invasive technique in that test metal films remain intact even after being repeatedly measured. Non-invasive measurements of the thickness of metallic films from nanometers to micrometers have been very important for semiconductor industries where metallic coatings play important roles. We investigate a non-invasive metrology technique that enables determination of the thickness of metal films and superconductor films from nanometers to micrometers at microwave frequencies by using dielectric cylindrical resonators. The working principles of the measurement method are based on reflection of electromagnetic waves at the film-substrate interface having impedance mismatch and the nature of the intrinsic surface resistance being equal to the intrinsic surface reactance for electrical conductors in the local limit. Electromagnetic interferences of incoming electromagnetic waves at the surface of conductors with the reflected waves due to the impedance mismatch enable even higher measurement sensitivity for thinner films of nanometers thickness, which could be rigorously analyzed for determining the film thickness due to the normal skin effect of metals. The measured thicknesses for 10 nm-thick to 950 nm-thick platinum films appears to be comparable with the corresponding ones as measured by using a Transmission Electron Microscope and a step profilometer. Our results show that not only the metal film thickness but also the intrinsic surface impedance of metal films could be measured by using single measurement apparatus in a non-invasive way.

호접란 ‘KS Little Gem’의 유전체 분석을 통한 품종구분 분자표지 개발

권영은 명지대학교 일반대학원 2016 국내석사

본 연구에서는 개화 기간이 긴 Phalaenopsis ‘KS Little Gem’의 전사체 및 유전체를 조립, 분석하고 품종구분과 보호를 위한 엽록체 유전자 및 conserved ortholog set (COS) 기반 분자표지를 개발하였다. 조립된 전사체는 총 길이 82.3 Mb로 unigene 101,975개를 포함하고 있으며 이중 71,327개의 주석을 결정하였다. 엽록체 유전체는 총 길이 148,918 bp로써 유전자 104개를 포함하고 있었다. 핵 유전체는 총 길이 3.0 Gb로 조립되었으며 이는 예측한 크기(4.5 Gb)의 66.4%에 해당한다. 핵 유전체에 암호화된 유전자는 49,482개로 예측되었으며 이 중 주석이 결정된 유전자는 39,104였다. 조립한 전사체, 엽록체 유전체, 핵 유전체를 사용하여 호접란 품종구분 분자표지를 개발하였다. P. ‘KS Little Gem’ 구분 분자표지는 2가지 방식으로 개발하였다. 첫 번째 종류는 엽록체 유전자 rpl16의 인트론으로부터 개발되었으며, 그 크기는 251 bp였고, 다른 난초과 식물 사이에서 다양한 크기의 다형성이 나타났다. 두 번째 종류는 단자엽 식물의 COS 유전자의 인트론으로부터 개발하였다. 먼저 벼(Oryza sativa)와 바나나(Musa acuminata), 그리고 P. equestris 유전체의 단백질 서열을 사용하여 보존된 단자엽 COS 유전자 672개를 찾고, 이 유전자들의 P. equestris nucleotide 서열과 암호화 서열을 P. ‘KS Little Gem’의 unigene 서열과 비교분석하여 최종적으로 3개의 COS 분자표지를 선발하였다. 3개의 COS 분자표지가 표적 하는 유전자의 P. equestris 서열을 사용해 Blast2GO 분석을 수행한 결과 COS001은 rRNA 소단위체를 메틸화하는 효소를 생산하는 유전자로 예측되었고, COS002는 아직 밝혀지지 않은 단백질을 생산하는 유전자로 세포막으로 둘러싸인 소포에서 phosphatidylinositol을 생산하거나 광주기성 또는 개화에 관련된 기능을 하는 것으로 예측되었으며, COS003은 DNA repair helicase xpb1 enzyme을 생산하는 유전자로 예측되었다. 분자표지의 평가는 P. ‘KS Little Gem’을 포함한 호접란 19종을 사용하여 실시하였다. COS001은 P. ‘KS Little Gem’에서 387 bp와 520 bp 두 가지 크기로 예측되었으며 PCR 결과 두 밴드 모두가 증폭되었으나 다른 종에서는 두 밴드 중 한 밴드만 증폭되었다. COS002는 P. ‘KS Little Gem’에서 200 bp와, 224 bp 크기로 예측되었고 PCR 결과 두 밴드 모두 증폭되었으며 다른 종에서는 두 밴드 중 한 밴드만 증폭되었다. COS003은 P. ‘KS Little Gem’에서 525 bp와, 621 bp, 675 bp 크기로 예측되었으나 PCR 결과 621 bp와 675 bp 크기의 밴드만 증폭되었고 다른 종에서는 다양한 크기의 밴드가 증폭되었다. 따라서 엽록체 분자표지 1종과 COS 분자표지 3종을 조합하면 P. ‘KS Little Gem’을 다른 종의 Phalaenopsis 사이에서 구분하는 것이 가능하며, 다양한 Phalaenopsis 속 및 종간 잡종 품종구분에도 적용이 가능할 것이다. 본 연구에서 사용한 분자표지 개발 전략은 유전체 조립이 염색체 수준에 미치지 못하는 scaffold 수준으로 완성되어있는 종 사이에서도 효과적으로 사용 가능하다. Gene-based markers are useful tools for genetic background survey and comparative genome analysis due to their easy application across closely-related species. We developed gene-based DNA markers for Phalaenopsis ‘KS Little Gem’, a new Phalaenopsis variety with excellent ornamental traits, based on a genome-wide comparison of chloroplast and nuclear sequences with those of orchids as well as monocot species, including rice and banana, to establish a molecular basis for species identification. Sequence comparisons of the chloroplast DNA of P. ‘KS Little Gem’ with those of P. aphrodite and P. equestris identified six variable genic regions of the chloroplast genome in which an intron of rpl16 was the most polymorphic between relative orchid species. To develop conserved ortholog set (COS) markers, we compared transcriptome unigenes of P. ‘KS Little Gem’ with P. equestris, rice, and banana genomes and identified 582 Phalaenopsis COS candidates with at least two exons. PCR application with primer sets targeting six variable regions in the chloroplast genome and introns of 45 randomly selected COS candidate genes showed 92-98% amplification in three Phalaenopsis species. Among the candidate genes, we developed rpl16 and three COS genes as diagnostic cross-species markers for P. ‘KS Little Gem’ and diverse related orchids. The gene-based molecular markers developed in this study will play an important role in species identification in protecting variety right, breeding, and genetic studies of Phalaenopsis orchids.

펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체의 전자 방출

김용태 연세대학교 대학원 2000 국내박사

전계 방출 디스플레이용 평판형 전자원으로서, 펄스 전기장에 의한 Pb계 유전체에서의 전자 방출 현상에 대하여 Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3)의 조성 변화, 강유전체, 반강유전체 및 상유전체로의 유전상 변화 및 유전체 두께 변화에 따라 연구하였다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출은 하부 전극에 (+) 전압이 인가된 경우가 (-)전압이 인가된 경우에 비하여 전자 방출량이 높았고, 방출 전자의 운동에너지는 1,600 eV이며, Child-Langmuir 식에 의한 전류의 수십배의 전자 방출전류 밀도가 얻어졌다. 임계 전압 인가 속도 이상에서의 전자 방출량은 일정하였고, 전자 방출은 상부 전극 모서리에 집중되었다. Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) 강유전체에서의 전자 방출량은 분극 변화량에 의존하였으나, 유전 상수는 전자 방출 특성과 거의 관련이 없었다. 전자 방출량은 하부 전극에 인가된 전기장에 따라 지수적으로 증가하였으며, 전자 방출의 문턱 전압은 강유전체의 항전계에 의존하였다. 강유전체 전자총에서는 상부 전극 크기 감소 및 강유전체 두께 증가에 따라 유전 상수 및 분극이 증가되었으며, 이러한 경향은 비대칭 전극 구조에서의 상부 전극 모서리 부근의 전기장 변화에 의하며, 전극 처리되어 있지 않은 강유전체 부분의 분극 분율 증가에 의한다. 상부 전극 크기에 따라, 상부 전극 부근 강유전체 표면에서의 전기장 증진 및 전기장 상승이 발생하는 폭은 일정하였으며, 따라서 전자 방출량은 상부 전극 직경에 비례하였다. 펄스 전기장에 의한 전자 방출 현상은 Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3)및 (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3)의 강유전체뿐 아니라 Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) 및 (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3)의 반강유전체 및 상유전체에서도 발생되었으며, 반강유전체의 경우에는 반강유전상에서 강유전상으로의 상전이 전기장에서 전자 방출이 급격히 증가되었다. 반강유전체 및 상유전체의 경우에는 펄스 전기장 인가 및 제거시에도 전자가 방출되었으며, 따라서, 펄스 전기장에 의한 전자 방출은 분극 변화량에 의존함을 밝혔다. Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35)O_(3) 강유전체 막에서의 전자 방출은 강유전체 막 두께에 따라, 1 ㎛ 두께 이하의 박막에서는 국부 절연 파괴가 발생하였고, 2 ㎛ 두께 이상의 후막에서는 벌크 세라믹스의 경우와 유사한 전자 방출량을 얻을 수 있었으며, 3 ㎛ 두께에서의 전자 방출 문턱 전압은 40 V로서 벌크의 1/10을 나타내었다. 강유전체 벌크에 비하여 박막에서의 전자 방출은 전자총의 기하학적 구조에 크게 의존하며, 절연 파괴 없이 전자가 방출되기 위해서는 강유전체 두께에 대한 상부 전극 크기의 대수값의 비를 임계값 이하로 낮추어야 한다. Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) 벌크 강유전체 전자총을 이용하여 10^(-3) torr의 압력, 5 mm 거리에서 직경 1 cm 범위의 R, G, B 음극선 발광을 확인하였다. 강유전체 전자총의 열화는 전자 방출시 발생되는 플라즈마에 의한 상부 전극 모서리의 침식이 가장 큰 원인이며, 유전체의 상부 계면 열화도 포함되어 있었다. 전기장 시뮬레이션 결과, 강유전체 전자총 구조에서의 강유전체 표면의 전기장은 상부 전극 모서리 부근에서 약 2.5배 증진되며, 수십 ㎛ 범위에서 항전계 이상의 전기장이 발생하였다. Faraday cup 거리 및 가속 전압은 전자 방출량에 영향이 없으며, 전자 방출량은 상부 전극 크기에 비하여 주로 강유전체 두께에 의존하였다. Pulse electric field induced electron emission from Pb-based dielectrics has been studied for application to field emission display as a flat electron source with varying the Pb(Zr_(1-x)Ti_(x))O_(3) composition, dielectric phases such as ferroelectric, antiferroelectric, and paraelectric, and the thickness of the dielectrics. The electron emission charge from the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) ferroelectrics when the positive voltage was applied to the rear electrode was higher than that of negative voltage. The kinetic energy of the emitted electron was 1,600 eV, and the emission current density was several tens times higher than that calculated with Child-Langmuir equation. The emission charge was constant above the critical field rising velocity, and the emitted electrons were concentrated at the edge of the upper electrode. The emission charge from the Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics was dependent on the polarization change. However, the dielectric constant had little influence on the emission properties. The emission charge from Pb(Zr_(x)Ti_(1-x))O_(3) ferroelectrics increased exponentially with the applied electric field to the rear electrode. The emission threshold voltage was dependent on the coercive field of the ferroelectrics. Dielectric constant and polarization of the ferroelectrics which consisted the electron gun increased with the decrease of the upper electrode size and with the increase of the ferroelectric thickness. This tendency was caused by the change of the electric field near the upper electrode edge in the asymmetric electrode structure and by the increase of the volume fraction participated in the polarization at the bare ferroelectric region. The strength and the width of the increased electric field at the ferroelectric surface near the electrode edge was independent on the electrode size, therefore the emission charge was proportional to the upper electrode diameter. Electrons were emitted by the pulsed electric field not only from the ferroelectrics such as Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) and (Pb_(0.8)La_(0.2))TiO_(3) but also from the antiferroelectric Pb(Zr_(0.96)Ti_(0.04))O_(3) and paraelectric (Pb_(0.6)La_(0.4))TiO_(3) ceramics. In the antiferroelectrics, the emission charge increased abruptly at the transition field from the antiferroelectric to ferroelectric phase. Electrons were emitted both at the rising and falling times of the pulse field in the antiferroelectrics and paraelectrics, which meant that the electron emission was dependent on the polarization change. In the ferroelectric Pb(Zr_(0.65)Ti_(0.35))O_(3) films, electron emission was dependent on the film thickness. Electrons were emitted from the thick films above 2 ㎛ with comparable emission charge to the bulk ferroelectrics, whereas local dielectric breakdown occurred at the thin films below 1 ㎛. The emission threshold voltage of the 3 ㎛ thick film was 40 V, which was a tenth that of the bulk ceramics. The emission properties from films were so influenced by the geometry of the electron gun that the electrons were successfully emitted without breakdown below the critical geometric ratio of the logarithm of the upper electrode diameter to film thickness. Cathode luminescence with the diameter of 1 cm from red, green, and blue phosphors was confirmed by the Pb(Zr_(0.5)Ti_(0.5))O_(3) bulk electron gun at the distance of 5 mm in 10^(-3) torr. The ferroelectric electron gun was degraded mainly by plasma induced erosion of the upper electrode edge and also by the degradation of the interface. Electric field simulation showed that the electric field near the electrode edge increased 2.5 times and the width above the coercive field was several tens ㎛. Faraday cup distance and the acceleration voltage had little influence on the emission charge. The emission charge was more dependent on the ferroelectric thickness than on the upper electrode diameter.

유전체 정보를 이용한 한우 및 젖소의 선발 효용성 향상에 관한 연구

김유삼 영남대학교 대학원 2018 국내박사

본 연구는 유전체 정보를 이용한 유전체선발의 효과를 향상시킬 수 있는 방안을 조사하기 위하여 1) 육종가 추정에 이용되는 정보에 따른 정확도 비교, 2) 저밀도 SNP chip을 이용한 imputation 정확도에 미치는 요소 및 3) 참조집단을 통해 추정된 SNP effect의 추정 육종가 정확도를 비교하였다. 1) 홀스타인 젖소의 유량 및 유성분 형질에 대하여 젖소 2,016두를 대상으로 Illumina BovineSNP50 Beadchip을 이용한 유전체 정보와 혈통 정보, 305일 누적된 유량, 유지방량, 유단백질량에 대한 1산차 및 2산차 검정자료를 수집하였다. 혈통 정보를 통한 BLUP, 유전체 정보를 이용한 GBLUP과 혈통 및 유전체 통합 정보를 이용한 ssGBLUP을 분석하였다. 유전체 선발 정확도를 비교하기 위해 Animal model을 이용하여 분석대상 개체 1,911두 중 표현형 정보가 없는 개체 1산차 933두, 2산차 1,164두에 대하여 추정된 육종가의 정확도를 비교하였다. 유량 형질에서 1산차의 BLUP, GBLUP, ssGBLUP은 각각 0.424, 0.411, 0.528, 2산차는 0.385, 0.375, 0.486으로 1산차가 2산차보다, ssGBLUP이 다른 분석 방법보다 더 정확도가 높았다. 유지방량은 1산차에서 각각 0.403, 0.457, 0.529, 2산차에서 정확도가 각각 0.381, 0.304, 0.487로 나타났고, 유단백질량의 육종가 정확도는 1산차에서 각각 0.409, 0.374, 0.523, 2산차에서는 각각 0.388, 0.371, 0.496으로 유량 형질과 유사한 경향을 보였다. 2) 육종가 정확도를 평가하였던 동일한 시료를 대상으로 imputation 정확도를 비교하기 위해 Beagle ver.4.0과 FImpute ver.2.2를 이용하였다. 3개의 참조집단 (1:1,314두, 2:부모 참조집단 270두, 3:비부모 참조집단 270두)을 대상으로 자손으로 이루어진 실험집단 690두의 유전체 정보를 저밀도 SNP panel 5K, 10K, 15K, 20K를 대상으로 정확도를 분석하였다. 저밀도 SNP panel을 구성하기 위해 Illumina BovineLD v2.0의 SNP 구성 기준을 이용하였다. 분석결과 Beagle이 FImpute에 비해 정확도가 전체 패널을 대상으로 0.01~0.02 정도로 높았으나 분석시간은 Beagle이 FImpute에 비해 약 600배 더 오래 걸렸다. Imputation 분석 방법 중 population phasing을 한 경우 참조집단 1번으로 한 imputation 정확도가 0.959~0.974로 가장 높았으며, 참조집단 2번은 0.948~0.971, 3번은 0.936~0.968이었다. Family phasing 방법은 참조집단 2번에서 0.927~0.951, 3번에서 0.924~0.952로 나타났다. Imputation 된 유전자형을 이용한 육종가와 실제 유전자형을 이용한 육종가의 상관분석 결과, 상관계수 범위가 0.604~0.991로 나타났으며 population phasing (20K panel)에서 가장 높게 나타났다. 3) 참조집단을 통해 SNP effect를 추정하기 위해서 젖소 집단은 GRAMMAR approach 방법을 이용하여 보정된 잔차를 통해 SNP effect를 GBLUP과 ssGBLUP으로 추정하였다. 그 결과 참조집단 778두를 대상으로 자손, 비자손 개체 각 100두의 육종가와 실제 표현형 사이의 실현 정확도(realized accuracy)는 GBLUP에서 0.180~0.448, ssGBLUP에서 0.074~0.467로 각각 나타났다. 한우 참조집단을 통해 SNP effect를 추정하기 위해 SNP BLUP을 이용하였고, 추정된 SNP effect를 이용하여 한우 실험집단 64두의 육종가를 추정한 실현정확도는 도체중 0.767, 등심단면적 0.709, 등지방두께 0.288, 근내지방도 0.372로 나타났다. 동일한 한우참조집단을 활용하여 제주흑우 실험집단 270두에 적용한 결과 실제 표현형과 추정 육종가 간의 상관계수는 0.034~0.140으로 매우 낮게 추정되었다. 본 연구 결과, 효과적인 유전체 선발을 위해서는 혈통 정보 및 유전체 정보를 조합한 선발방법이 효과적이며, imputation 정확도를 높이기 위해서는 참조집단의 크기와 SNP panel의 구성을 고려하여 population phasing을 이용하는 것이 효율적으로 나타났다. 실험집단의 유전체육종가 정확도를 높이기 위해서는 동일한 품종의 참조집단을 설정해야 하며 따라서 제주흑우의 경우 제주흑우 개체들로 구성된 참조집단 설정이 필요함을 제시하여 준다. The purpose of this study was to investigate how to improve efficiency of genomic selection in Holstein and Hanwoo cattle, i.e. 1) to compare accuracies of breeding values by applying different information sources such as pedigree or genome base, 2) to evaluate imputation rates using different kinds of low density SNP chips, and 3) to evaluate accuracy of predicted breeding values of testing group with different reference groups. 1) The 305-day milk yield, milk fat yield and milk protein yield test scores of 2,016 Holstein dairy cows were collected for the first and second parity. Genomic information was collected through Illumina BovineSNP50 Beadchip. BLUP (GBLUP) was applied for pedigree (genome) information, and ssGBLUP was applied for the combined pedigree and genome information, respectively. Animal model was used to compare accuracies of the predicted breeding values for the 1,911 individuals without phenotypes, for which 933 and 1,164 individuals were recorded for the first and second parity, respectively. For milk yield, the average accuracies from the BLUP, GBLUP and ssGBLUP analyses were 0.424, 0.411 and 0.528 for the first parity, and 0.385, 0.375 and 0.486 for the second parity, respectively. These results showed that the ssGBLUP method yielded greater breeding value accuracy than BLUP or GBLUP method. For milk fat yield, the breeding values accuracies were 0.403, 0.457, and 0.529 for the first parity, and 0.381, 0.304, and 0.487 for the second parity for the respective methods, while for milk protein yield, the accuracies were 0.409, 0.374, and 0.523 for the first parity, and 0.388, 0.371, and 0.496 for the second parity of the respective methods, which showed similar tendencies of milk yield. 2) Beagle ver.4.0 and FImpute ver.2.2 were applied to compare accuracy or success rate of SNP imputation for the same Holstein samples above. The genomic data of 690 experimental clusters consisted of three reference groups, i.e. (1) 1,314 individuals, (2) 270 parents, (3) 270 non-parents. for which low-density SNP panels of 5K, 10K, 15K, 20K were applied. The low-density SNP panels were constructed through the criteria of Illumina Bovine LD v2.0. The Beagle analyses resulted in greater accuracy of 0.01 ~ 0.02 than FImpute across the panels. However, analysis (running) times of Beagle were about 600 times longer than FImpute. Imputation accuracies ranged 0.959 ~ 0.974 for reference group (1), 0.948 ~ 0.971 for reference group (2), and 0.936 ~ 0.968 for reference group (3), respectively. The family phasing method yielded in the accuracy of 0.927 ~ 0.951 in reference group (2), and 0.924 ~ 0.952 in reference group (3). Correlation coefficients between EBVs from imputed genotypes and from real genotypes were 0.604 ~ 0.991, for which the greatest accuracy was observed in the population phasing method with 20K panel. 3) To estimate the SNP effects through the reference population, GBLUP and ssGBLUP were applied in the Holstein population for the corrected residuals that were obtained by GRAMMAR approach. A sample of 100 individuals from the reference samples of 778 were assigned as a testing group. As a result, the realized accuracies between the predicted EBVs and the actual phenotypes ranged 0.180 ~ 0.448 for GBLUP, and 0.074 ~ 0.467 for ssGBLUP analysis, respectively. In Hanwoo, the SNP effects were estimated from a reference group of Hanwoo slaughtered steers with carcass quality records. The realized accuracies of the predicted breeding values for the testing 64 cows were 0.767, 0.709, 0.288 and 0.372, for carcass weight, loin muscle area, backfat thickness, and intramuscular fat, respectively. However, for the testing samples of Jeju Black cattle, the correlation coefficients between the actual carcass quality traits and the predicted breeding values ranged 0.034 ~ 0.140, when the sample reference samples of the Hanwoo steers were used. In order to improve selection efficiency, it is necessary to integrate pedigree and genome information. To obtain higher SNP imputation rate, large reference population size, high-density SNP panels and population phasing methods are desirable. Also, to obtain greater accuracy of breeding values for Jeju Black cattle individuals, the reference samples from the Jeju Black cattle are needed, rather than the Hanwoo reference samples.

강유전체 층에 유전체 삽입 층이 있는 강유전체 터널 접합의 온-오프 특성 연구

박준호 아주대학교 2022 국내석사

본 논문에서는 기존의 강유전체 터널 접합의 낮은 ON-OFF 전류 비 개선을 위하여 강유전체 내부에 다양한 종류의 유전체를 삽입한 구조의 강유전체 터널 접합 소자 (ferroelectric tunnel junction: FTJ)를 제작하여 전기적 특성을 분석하였다. 그 결과 1 nm 두께의 HfO2 박막을 강유전체 중앙에 삽입한 FTJ에서 가장 높은 ON-OFF 전류 비를 보였으며, 기존의 금속-강유전체-금속 구조 (metal-ferroelectric-metal: MFM)의 HfZrO2 (HZO)기반 강유전체 터널 접합에 비해 향상된 전기적 스트레스 내구성을 보였다. 이에 반해 ZrO2 또는 Al2O3를 강유전체 내부에 1 nm 두께로 적층한 FTJ 소자들의 경우 낮은 ON-OFF 전류 비를 보였다 HfO2에서 가장 높은 ON-OFF 전류 비를 얻은 이유는 잔류 분극 특성을 비교적 온전히 유지하면서도 내부 절연체의 bandgap이 낮아 전류의 흐름을 방해하지 않으며, OFF-state에는 HfO2가 절연체로 동작하여 HZO에 비해 전자가 이동하기 위해 통과해야 하는 tunneling width를 증가시켜 누설 전류가 효과적으로 제어되기 때문이다.

고효율 PDP 구현을 위한 저유전율 투명유전체에 관한 연구

이 상호 경북대학교 대학원 2009 국내석사

This study is about the transparent dielectric in key component of PDP. When considering that previous transparent dielectric material is composed of PbO-SiO₂-B₂O₃ system or Bi₂O₃-SiO₂-B₂O₃ system and its raw material price is too expensive and it is a high permeability material, transparent dielectric material should be low permeability for the high permeability PDP realization. Then, it will make low the reactive power consumption by the decreased dielectric thickness and in the long run, high efficiency PDP will be fulfilled. Therefore, I studied on the ZnO-B₂O₃-BaO system or B₂O₃-ZnO-SiO₂ system for the generation of low permeability transparent dielectric. First step is the preparation of test raw material. That is, production of PDP transparent dielectric. After material will be weighted, 2.5㎛ as the final average D50 is prepared in the process of mixing, melting, 1st milling, 2nd milling. Second step is the production of paste which make use of previously prepared transparent dielectric powder. You add solidity powder, vehicle, dispersing agent, an additive and disperse with PLM(Planetary Mill)or 3-Roll Mill and make the ultimate viscosity 15~20Pa· s. With that paste, you make transparent dielectric layer form into regular thickness and make a sample for the various analysis through drying and sintering process under various states. I choose optical properties, thermal properties, mechanical properties, electrical properties as the properties analysis of transparent dielectric. First of all, for the search transparent dielectric composition, this study chose 7 candidate samples among the compositions which have low permeability with the permeability calculation. And I chose the one of the best ZnO-B₂O₃-SiO₂-BaO system samples through various analysis. However, this sample occurs yellowing phenomenon because of reaction between transparent dielectric and Bus electrodes. So I tested Doping test and set the ideal dopant kind and content that minimize yellowing phenomenon to solve this problem. After making a powder, I did the operation to optimize the transparent dielectric process. Therefore I set the most suitable drying and sintering temperature through diverse experimentations and ultimately I set the best suited average particle state for the transparent dielectric powder. In conclusion, first I selected the formation of low permeability transparent dielectric as ZnO-B₂O₃-SiO₂-BaO and realized under 9 permeability. Second considering the degree of strength of low permeability transparent dielectric for PDP Panel, when the thermal expansion of transparent dielectric is between 75~80x10^(-7)/℃, it showed the greatest powerfulness as strong compressive stress occurred on the dielectric and interface. Third I improved “Yellowing Phenomenon”, the reaction of low permeability transparent dielectric and Bus electrode as transition metal oxides like CuO, Co₃O₄, CeO₂(Dopants) and I proved this dopants have effect on Color Filter for PDP. Fourth in the drying conditions of low permeability transparent dielectric, two conditions lowered the optical properties and the breakdown voltage because it is "over drying" above 180℃ and "unfinished drying" below 160℃. So I got the result of the best optical properties and the breakdown voltage in the 170℃. Fifth I set 6 Step as the best suited sintering temperature of the low permeability transparent dielectric. When looking at the heat speed result from 400℃, Binder burn out temperature, to 575℃, sintering peak temperature, in the 3 Step, two conditions lowered the result of the optical properties and the breakdown voltage in the below 5℃/min "over sintering", in the above 15℃/min "unfinished sintering". So I concluded that 10℃/min heat speed condition was the best suited sintering and at that condition, I got the best result of the optical properties and the breakdown voltage. Sixth test result is that the smaller the average particle size D50 (from 3㎛ to 2㎛), the better the optical properties which is for the fine milling condition for the best particle size in the low permeability transparent dielectric powder. And to conclude, I set the best suited average particle size for transparent dielectric as 2㎛ in the Dry Milling method. With this study, I concluded the best suited formation of low permeability transparent dielectric and progress condition plan, and predict to apply the production of low permeability transparent dielectric for the high efficiency PDP.

유전체가 삽입된 원통형 공진기에서 Contour Graph 방법을 이용한 공진주파수 계산에 관한 연구

최홍주 建國大學校 大學院 1999 국내박사

This thesis describes an analysis method of the electromagnetic fields in the dielectric loaded cylindrical cavity resonators. The dielectric loaded cylindrical cavity resonator is a microwave device which has very excellent properties like low-loss obtained from reducing the loss at wall since the electromagnetic field stored within the dielectric, high Q factors which are considerably higher than that of the cavity resonators and high temperature-stable. And it is also suitable for the miniaturization due to it's small size compared with the cavity resonators operating in the same frequency range. The most popular dielectric loaded cylindrical cavity resonators for the microwave devices are the concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators. Concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators have the shape of concentrically inserted smaller dielectric disk than cavity resonator. Since electromagnetic fields are concentrated on concentric dielectric disk, high Q factors can be obtained by reducing the loss at the side and top wall of the resonator. To calculate the Q factors and the resonant frequency of a concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonator accurately, precise electromagnetic fields representation of outer area of dielectric in the resonator should be proceeded. The most important point in representing the electromagnetic fields of concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators is how to express the variation of electromagnetic fields along axial and radial direction on the outer area of dielectric in the resonators. The inside electromagnetic field variation of concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators can be represented by assuming that evanescent mode and travelling mode exist in outer area of dielectric. Because most of electromagnetic fields are concentrated on the dielectric of which the dielectric constant is very high, evanescent mode assumes that electromagnetic fields are evanescent rapidly at the outer area of dielectric. The evanescent mode used in DWM method usually is an approximated representation. The evanescent mode can be applied only when the dielectric constant of dielectric is higher than that of outer area of dielectric. Travelling mode assumes that electromagnetic fields have the shape of standing wave which consists of traveling wave and reflected wave by assuming that all fields of inner and outer area of dielectric in the resonators travel toward the wall and reflect at the wall. Recently, most of researchers including K. A. Zaki calculated Q and resonant frequencies of concentric dielectric disk loaded cavity resonators using DWM method. In DWM method, the electromagnetic field variations of axial and radial direction at outer area of dielectric in the concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators were represented as evanescent mode. The calculated resonant frequencies using the electromagnetic field representation with the assumption of evanescent mode tend to have a good agreement with the measured result only when the dielectric constant of concentric dielectric disk is very high and the size of concentric dielectric disk is similar to the size of cavity resonator. R. F. Harrington treated the analysis of concentric dielectric rod loaded resonators which has no gap between concentric dielectric rod and top wall of cavity resonators. In the concentric dielectric rod loaded resonators, the electromagnetic field variations of outer area of concentric dielectric rod are represented with the assumption of travelling mode and then characteristic equations are obtained. The Harrington's method is an well matched approximation method only when the radius of the dielectric is much smaller than that of cavity resonator. In the dielectric loaded resonators, the reason why approximated electromagnetic field representations in the resonators, especially, outer area of dielectric are used is that the solution of the characteristic equations can not be obtained accurately. The process of solving the characteristic equations is very complicated and difficult because the characteristic equations obtained by appling boundary conditions to electromagnetic field representations have the form of transcendental equation. To solve the characteristic equation, numerical methods should be used since the analytic approach is not applicable. The numerical method like Newton's iteration requires complicated algorithm and the iterative operation. The iterative operation needs a lot of time and trial and errors. Also, the numerical method requires the process of mode identification, but mode identification itself is very difficult. Since confirming whether electromagnetic field representations in the resonators is appropriate is very complicated, the analysis based on the approximated electromagnetic representation has been popular. This kinds of studies only concentrated on the calculation of resonant frequencies, and mode identification of resonant frequencies have not been covered. To understand characteristics of resonators, the mode of resonant frequencies is one of the key parameters. Especially, for the computation of precise resonant frequencies of concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonators, the variation of electromagnetic fields should be represented for the each area in the resonator which is divided into three parts. By appling boundary conditions for the radial and axial direction to the electromagnetic representation of each area, two characteristic equations having the form of transcendental equation can be obtained. Two variables in the two characteristic equations are resonant frequency and axial direction propagation constant of dielectric area. It is impossible to solve the transcendental equation with two variables with a analytic approach. This thesis introduces contour graph method to solve allied two transcendental equation. Contour graph method uses graphical method. This method is not a method using approximated representations of electromagnetic field variations at the outer area of dielectric in the resonators but a method using exact representation to calculate resonant frequencies. Because the process to analyze the characteristic equations is simple and all parts of resonant frequency graph can be easily drawn, it is possible to calculate precise resonant frequencies and to identify the mode of resonant frequencies. A contour graph method is essentially a "topographic map" of a function. The contours links the points on the surface that have the same value. Given the value of the contour, the goal is to find those values of x and y for which f(x , y) = z, where f is the function we are solving. To use the contour graph method, basic mechanism to convert the characteristic equations into graphs. After converting each characteristic equation into two variables function, plot the contour graph of the points which make value of converted two variables functions zero. If the two contour graphs are overlapped, the crossing point of each contours for the two characteristic equations is appeared. As this crossing point is satisfy two characteristic equations simultaneously, it represent the resonant frequency and the propagation constant of axial direction of resonator. Each contours represent highest orders of radial direction and axial direction for the boundary conditions of radial direction and axial direction, respectively. Therefore, the crossing points of two contours represent resonant frequencies and modes. The resonant frequencies of TMolo and TE011 mode of concentric dielectric rod loaded cylindrical cavity resonator is measured. Material of dielectric rod used in the experiment is teflon( Er= 2.06). Experimental measurements show excellent agreement with the numerical results. The difference between them of TMolo and TEou mode are 0.024[%]-0.247[%] and 0.057[%]-0.367[%] respectively. The resonant frequencies of TE011+8 mode of concentric dielectric disk loaded cylindrical cavity resonator is measured. Material of concentric dielectric disk used in the experiment is sapphire( Er= 9.4). The calculated results well agree with the experimental ones. The error between them is 0.2[%] or I.6[%] for the case of the top plate is close to or far from the concentric dielectric disk, respectively.