Study on the PCET process of Tyrosine-rich peptide/manganese oxide hybrid film

주미송 서울대학교 대학원 2019 국내석사

The control of protons and electrons transfer by proton-coupled electron transfer mechanism, called PCET, is ubiquitous in biological systems. PCET can occur in either orthogonal or collinear pathway and PCET can occur by concerted proton electron transfer or sequential proton and electron transfer pathway. The redox cofactors controlling the coupled long-range electron and short-range proton transfer in living organisms are usually amino acid side chains with acid/base or other functionalities in protein/peptide complexes. Among various amino acids, nature has taken tyrosine as an important redox-active cofactor in diverse reactions. The most representative PCET reaction of tyrosine can be found in light reaction photosynthesis where tyrosine mediates electron transfer from Mn4Ca cluster to the central chlorophyll P680 while the phenolic proton of tyrosine deprotonates to the hydrogen-bonded histidine. By this special PCET process, the rate of electron transfer from Mn4Ca to P680 becomes 200 times much faster compared to the rate when there is no proton transfer process coupled to the electron transfer. In the past, the development of electrical devices had mainly focused on controlling electronic currents. These days, however, lot of efforts are ongoing for protonic devices as ions or protons are more appropriate language involved in many electrical signaling pathway of biological system. Furthermore, when considering the highly efficient charge transfer pathway in nature, developing PCET systems and controlling their charge transport properties may be a key for the next generation devices. Inspired from the amazing tyrosine’s role in nature, the ability to utilize coupled proton and electron transfer process, our group recently developed a hybrid film with a short tyrosine-rich peptide sequence. By inducing dityrosine cross-linking with the oxidant potassium permanganate, the hybridization of the peptide film and the hydrophilic manganese oxides occurred and the higher conductivity compared to other biomaterials working at room temperature was observed, showing a possibility in future bioelectronics application. In addition, the hybrid film exhibited a high KIE 3.3 while conventional proton hopping mechanism shows KIE around 1.4. We assume that another pathway, which we expect to be PCET according to the natural system, is involved in proton transfer over conventional proton hopping. KIE for the PCET process has been studied with series of model reactions and has been discovered to cover wide range depending on factors such as temperature, reorganization energy and equilibrium proton donor-acceptor distance. Thus, prior to the practical application, the studies on charge transfer pathway and comprehensive knowledge should be proceeded. A simultaneous ion and electron conduction is observed in inorganic materials called mixed ion-electron conductors (MIECs). MIECs have been studied for a long time and it has been found out that the law of independent migration for charge carriers is not always the case, varying with its thermodynamic state including temperature and nonstoichiometry. Several studies reported the quantified electron and ion interference effect by obtaining Onsager coefficients experimentally. According to the linear transport theory, Onsager coefficients relates the flux of a charge carrier with the driving force of all other charge carriers. For system having two charge carriers, four transport parameters were defined with Onsager coefficients. By measuring and controlling partial currents and the electrochemical potential gradients, studies got four transport parameters and accordingly Onsager coefficients in various oxide MIECs and they quantified and interpreted the interference effect among charge carriers. In large sense, mixed ion and electron conduction includes PCET, therefore, making it possible for us to take inorganic system as a research platform for the verification and quantification of large scale PCET. Here, we investigated the proton and electron coupled transfer in the tyrosine-rich peptide/manganese oxide hybrid film by applying the concept ‘Onsager coefficients’ and ‘transport parameters’. In this study, we propose a new paradigm to confirm and quantify PCET process of bulk materials. With the fabricated proton blocking mode sample analogous to the inorganic materials cell which block the ion movement by current flowing platinum electrodes, the electrochemical potential of protons counterbalancing the driving force of proton movement due to the coupling with electrons inside the hybrid film was measured with the Nafion membrane, the state of art proton conductor. Two transport parameters were calculated with the cell that block the transport of protons at electrodes at both ends, enabling the direct observation of one proton and one electron coupled transfer of the macroscopic film sample. In addition, the investigation on the isotope effect, replacing proton to deuterium, also supported the interference among protons and electrons in the hybrid film. 생물학적 시스템 속에서의 수소 이온 및 전자 전달은 수소 이온/전자 결합 전달 메커니즘에 의하여 조절된다. 수소 이온/전자 결합 전달 메커니즘을 통하여 수소 이온과 전자의 전달은 수평 또는 수직 방향으로 일어날 수 있고 동시에 혹은 순차적으로 수소 이온과 전자의 전달이 이루어질 수 있다. 생명체 속에서 먼 거리 전자 전달과 짧은 거리 수소이온 전달을 함께 조절하는 산화환원 보조인자로서는 다양한 작용기와 그에 따른 기능성을 가진 단백질/펩타이드 복합체가 널리 사용된다. 다양한 종류의 아미노산 중에서 특히 자연계는 다양한 반응에서 산화환원 보조인자로서 타이로신을 택하였다. 가장 널리 알려진 타이로신의 동시의 수소 이온 그리고 전자 전달 현상은 광합성의 명반응에서의 전자 전달과정이다. 망간 칼슘 클러스터에서 엽록소로 전자를 전달하는 과정에서 타이로신이 이 과정을 매개하고 전자 전달과 동시에 타이로신의 작용기 페놀에 있는 수소이온이 수소결합을 하고 있는 히스티딘으로 전달된다. 이 특별한 수소 이온/전자 결합 전달 과정을 통해 단순히 전자 전달 과정만 있을 때에 비하여 200배 정도 빠른 전자 전달이 이루어진다. 전기를 사용하는 소자의 개발은 주로 전자에 의한 전류를 조절하는 것에 초점을 두어왔다. 그러나 자연계 시스템에서 대부분의 전기 신호 전달 과정에는 수소 이온과 같은 여러 이온들의 전달이 관여하고 있으며 이러한 중요성이 대두되며 현재는 수소 이온을 사용한 소자에 대한 수많은 연구들이 진행되고 있다. 더 나아가 자연계에서의 굉장히 효율적인 전하 전달 방식인 수소 이온/전자 결합 전달을 고려하였을 때, 이 메커니즘을 사용하는 시스템을 개발 그리고 그 전달 특성을 조절하는 것은 아마도 후세대 소자 발전의 핵심 열쇠가 될 것이다. 최근 우리 연구실에서는 자연계의 타이로신의 수소 이온 및 전자 전달 특성을 포함한 여러 우수한 특성을 활용하고자 타이로신이 다량 포함된 짧은 펩타이드 시퀀스를 사용하여 하이브리드 필름을 개발하였다. 산화제인 과망간산 칼륨을 사용하여 다이타이로신 결합을 유도하였고 그 결과 펩타이드 필름과 친수성 망간 산화물 하이브리드 필름이 형성되었다. 이 필름은 상온에서 작용하는 다른 바이오 재료에 비해 높은 전도도를 보였는데 이는 미래 생체 전자 소자로서의 활용 가능성이 높을 것으로 예상된다. 또한 수소 이온의 동위 원소인 중수소 이온을 사용하여 확인한 속도론적 동위 원소 효과의 값이 3.3 정도로 일반적으로 알려진 수소 이온의 도약 전도에서의 값인 1.4보다 큰 값을 보였다. 아마도 이는 일반적인 수소 결합 네트워크를 통한 수소 이온의 도약 전도 이외에 자연계 시스템과 같이 수소 이온/전자 결합 전달에 의한 결과일 것으로 예상이 된다. 수소 이온/전자 결합 전달의 속도론적 동위 원소 효과를 수치화 한 값은 온도, 전자 구조의 재배열 에너지, 수소이온 주개-받개 간의 거리 등의 영향을 받아 큰 범위의 값을 갖는다. 따라서 우수한 특성의 하이브리드 필름의 적절하게 활용을 하기 위해서는 실질적인 활용에 앞서, 수소 이온/전자 결합 전달에서의 전하 전달 방식에 대한 연구 및 그에 따른 깊은 이해가 우선되어야 할 것이다. 무기물 재료에서 상당한 양의 이온과 전자가 동시에 전달되는 물질을 혼합 이온/전자 전도체라 부른다. 혼합 이온/전자 전도체에 관한 연구는 오랫동안 진행되어 왔고 전하 간 서로의 움직임에 영향을 주지 않는다는 오랜 법칙은 항상 적용되지 않으며 그들의 서로에 대한 영향은 온도나 비화학량론에 따라 변함이 확인되었다. 이러한 전자와 이온의 간섭 현상은 여러 연구들에서 온상가 계수를 사용하여 보고되었다. 선형 수송 이론에 따르면 전하 운반자의 흐름과 다른 전하 운반자들의 이동 원동력 사이의 계수를 온상가 계수로 정의한다. 또한 두 종류 전하 운반자들이 있는 시스템에서 온상가 계수를 사용하여 네 개의 수송 매개 변수들이 정의된다. 전하 운반자들의 부분 전류나 전기화학적 포텐셜 기울기를 측정하고 조절하면서 다양한 산화물 혼합 이온/전자 전도체의 수송 매개 변수들과 온상가 계수를 구하고자 하는 연구가 다양하게 진행되어 왔고 이를 통해 전하 운반자 간의 간섭 현상을 수치화하고 해석하였다. 넓은 의미에서 혼합 이온/전자 전도체는 수소 이온/전자 결합 전달을 포함한다. 이는 앞서 설명된 무기물 시스템을 플랫폼으로 삼아 수소 이온/전자 결합 전달 메커니즘 연구가 될 수 있음을 암시한다. 따라서 본 연구에서는 앞서 우리 연구실에서 개발한 하이브리드 필름에서의 수소 이온/전자 결합 전달에 대한 연구를 위하여 무기물 시스템에서와 동일하게 온상가 계수와 수송 매개 변수라는 개념을 도입함으로서 벌크 물질의 수소 이온/전자 결합 전달 시스템을 확인하고 수치화 할 수 있는 새로운 패러다임을 제시하고자 한다. 무기물 시스템에서와 동일하게 하이브리드 필름을 사용하여 전극에서 수소 이온의 움직임을 막는 샘플을 제작을 하였고 그 결과 우수한 수소 이온 전도체인 나피온 막을 사용하여 전자의 간섭 현상으로 인해 움직이는 수소 이온과 균형을 이루는 수소 이온의 전기화학적 포텐셜 기울기가 측정되었다. 두 개의 수송 매개 변수들도 계산되었고 이를 통해 거시적인 필름 샘플에서의 수소 이온 하나와 전자 하나의 결합된 전도 현상을 확인할 수 있었다. 또한 동위원소인 중수소 이온을 사용한 전도 현상 연구도 타이로신 포함 펩타이드/망간 산화물 하이브리드 필름에서의 수소 이온/전자 결합 전달 현상을 재현하였다.

Coupled map lattice based homeostatic complex systems

다라니 서울대학교 대학원 2014 국내박사

Homeostasis is the ability to regulate the essential variables of a complex system within a viability zone in the face of perturbations. It is a core complexity phenomenon for understanding real or artificial life. In this thesis, we explore the interplay betweennonlinear system dynamics and complex topologies in such homeostatic (self-regulating) systems. We investigate the self-causing nature of homeostasis in artificial and real-world complex systems. We analyse planetary and ecological homeostasis using daisyworld system – a cybernetic proof of Gaia hypothesis and apply those principles to demonstrate the social homeostasis in stock market. We reconstruct the formulations of the original daisyworld based on Coupled Map Lattice (CML) which enable us to investigate a wide range of rich features of complex systems covering different arenas such as system science, nonlinear science and network science. Our study reveals that daisyworld is a self-oganizing system and a reaction-diffusion (activator-inhibitor) system exhibiting an array of fascinating pattern formations – complex patterns, Turing-like structures, cyclic patterns, random patterns and uniform dispersed patterns for different parameter settings. The phenomenon governing the self-organizing pattern formation in our system is observed in biological systems (schooling of fish, animal coat formation, etc.) as well as in non-living systems (Turing’s reaction-diffusion system, Belousov-Zhabotinsky reaction, B ́nard convection, etc.). We incorporate evolutionary interactions in our system via replicator-mutator mechanisms. The results underline the importance of balance between ecosystem feedback and ecosystem disturbance in generating spatially coexistence of domains of dominance among the original daisies and their mutants and adaptants. We inspect our system based on small-world graphs (complex topologies) embodying realistic couplings via the Watts-Strogatz (WS), Newman-Watts models and Smallest-world (SW) models. We examine our system on an adaptive topology (adding connections with more realistic mechanisms) where there exists a feedback between the local dynamics and the topology. We introduce scale-freeness into our system with high clustering.We thus perturb our system through system parameters, system topologies and evolutionary changes. In all scenarios, our system self-regulates the environment and thus life persists, and thereby demonstrating robustness. We also introduce metrics Moran’s I and permutation entropy to measure the spatio-temporal dynamics of the system. Our remarkable finding is that by applying the dynamical linking mechanisms to our system on regular lattice can self-organise to a lattice with small-world phenomenon. We observe ‘completely coherent (homogeneous) short-lived cyclical dominance’ even with a small fraction of long-range couplings in complex and adaptive topologies. This apparent behaviour is seen in social, political and economical realms. Our system yields profound insights and implications, from which we derive an analogy with stock market. Based on an “Ecosystem Approach”, we analyse the feedback between market sentiment and stock price. We collect $APPL tweets from twitter and stock datafrom Yahoo finance and demonstrate their homeostatic nature. We compare stock market with other social homeostatic systems in nature such as termite colonies. Thus our study on self-causing systems helps both in understanding existing self-regulating systems and in modelling new artificial homeostatic system.

A Comprehensive Study of Diffusion and Modulus of Binary Systems within the Ti-Mo-Nb-Ta-Zr System

Chen, Zhangqi The Ohio State University ProQuest Dissertations & 2019 해외박사(DDOD)

Titanium alloys containing β stabilizers such as Mo, Nb and Ta are highly desirable for biomedical implants applications due to their low elastic modulus and excellent corrosion and fatigue resistance. To find the relation between β-Ti alloy compositions and their properties, a set of Ti-based diffusion multiples were made to generate composition libraries/gradients within the Ti-Mo-Nb-Ta-Zr system. Various experimental and analytical tools are applied to the diffusion multiples to extract the composition dependence of diffusion and mechanical properties.Diffusion is one of the fundamental processes in nature. A fast and easy-to-use simulation tool can help researchers understand and optimize diffusion processes in materials. A new Python-coded algorithm was developed to perform diffusion simulation in a fast and robust way. The core mechanism in this algorithm includes dynamic meshing and moving boundary structure. The diffusion simulation algorithm was combined with forward simulation analysis (FSA) to efficiently extract diffusion coefficients from experimental diffusion profiles. These diffusion simulation and analysis tools are coded and packaged as “pydiffusion”, a free open-source Python library that was deposited into the GitHub software sharing platform along with a description of its usage in a publication in the Journal of Open Research Software.Three Ti-Mo-Nb-Ta-Zr diffusion multiples were annealed at 800 ℃, 1000 ℃ and 1200 ℃, respectively to perform interdiffusion experiments. Electron probe micro-analysis (EPMA) was employed to collect diffusion profile data of various binary systems within three diffusion multiple samples. FSA was then applied to extract interdiffusion and impurity diffusion coefficients of seven Ti-X and Zr-X (X=Mo, Nb, Ta) binary systems. The new experimental results provide the most systematic and reliable data for the bcc phase of these seven binary systems.Through FSA calculation, the extracted interdiffusion coefficients are orders of magnitude higher than those from tracer experiments at the slower diffusion side of the Ti-X and Zr-X (X = Mo, Nb, Ta) binary systems. X-ray generation (interaction) volume simulation and an analysis of experimental profiles show that the artificial broadening of the concentration profile in very steep gradient region is responsible for the much inflated diffusion coefficients. A recommendation is made to trust only diffusion coefficients from concentration gradients less than 1 at.% per micron.To further investigate the relation between Ti alloy compositions, elastic modulus and crystal structure, nanoindentation tests were performed on one Ti-Mo-Nb-Ta-Zr diffusion multiple sample. Combining nanoindentation results with composition profile data, composition dependent indentation modulus data were extracted for the Ti-Mo, Ti-Nb and Ti-Ta binary systems. Based on the modulus trends, several TEM foils were also extracted from the same diffusion multiple sample using focused ion beam (FIB). TEM characterization shows the α’-α”-β phase transformation as the β-stabilizer contents increases in the Ti-X (Mo, Nb, Ta) binary systems, with the ω phase also observed in certain Ti-Mo and Ti-Nb compositions. The FIB sample extraction of the exact compositions of interest on the diffusion multiple is far more effective than making individual alloy samples.For thermal activated diffusion, essentially all diffusion coefficients follow the Arrhenius law. However, self-diffusion in several bcc metals are anomalous, such as β-Ti and Mo. The origin of the anomaly is still poorly understood. In recent decades, first-principles calculations based on density functional theory (DFT) have been extensively used to calculate diffusion coefficients. These calculations are usually coupled with the transition state theory under the harmonic or the quasi-harmonic approximations. However, traditional DFT method cannot be applied to β-Ti which is unstable structurally at 0 Kelvin. A fast approach using large phonon displacement was successfully applied to the unstable bcc phases of group IVB metals. By taking into account of thermal expansion in the bcc lattice, the nonlinear Arrhenius behavior of self-diffusion in Mo was successfully reproduced. Furthermore, for the first time, the large displacement approach was successfully demonstrated to calculate self-diffusion coefficients in β-Ti, again revealing the anomalous behavior as observed in experimental data. According to the current calculation results, the anomaly of self-diffusion in Mo and β-Ti is contributed from the temperature dependence of both vacancy formation entropy ΔSv and atom-vacancy migration entropy ΔSm, while the enthalpy of vacancy formation (ΔHv) and migration (ΔHm) also slightly changes within the calculation temperature range. The methodology employed here can be used to examine the anomalous diffusion in other bcc systems.

DC-DC 컨버터용 다중권선 결합 인덕터의 최소 전류 리플값을 위한 최적 결합 계수 설계

강태원 전북대학교 일반대학원 2019 국내박사

이 논문은 다중 권선 결합 인덕터를 사용하는 dc-dc 컨버터에서 최소 인덕터 전류 리플에 대한 최적화 된 Coupling 계수 설계를 제시한다. 필터 인덕터의 자기 결합은 최소 필터 크기를 유지하면서 필터링 성능을 향상시키기 위해 EV (Electric Vehicle) 충전기의 dc-dc 컨버터 및 BESS (Battery Energy Storage System)를 포함한 다양한 전력 전자 응용 분야에 널리 사용됩니다. 또한 양방향 dc-dc 컨버터는 배터리의 충전 및 방전 모드 요구가 커짐에 따라 EV 또는 BESS에 사용된다. 양방향 dc-dc 컨버터의 병렬연결 멀티 모듈에서 출력 인덕터 또는 입력 인덕터의 자기 커플 링은 인덕터 전류의 피크 대 피크 리플 크기를 줄이기 위해 종종 사용된다. 결합 된 인덕터의 자기 및 상호 인덕턴스의 최적 분포는 결합 된 인덕터와 관련하여 중요한 설계 과제 중 하나로 간주된다. 이 논문은 Phase-staggered가 사용된 다중 병렬 dc-dc 컨버터에서 인덕터 전류 리플의 최소 크기를 생성하는 일반화 된 n 권선 결합 인덕터에 대해 최적의 결합 계수를 설계하는 새로운 방법을 제안한다. 또한 양방향 전력 흐름 하에서 인덕터 전류의 최소 리플 크기를 달성하기위한 새로운 설계 가이드 라인이 제안한다. 새로 제안 된 최적화 된 커플 링 계수의 설계 가이드라인은 양방향 2 상 DC-DC 컨버터의 벅 및 부스트 동작 모드에 적용 할 수 있다. 따라서, 결합 된 인덕터의 결합 계수 값은 벅 및 부스트 동작 모드에 대해 개별적으로 최적화 될 필요가 없다. 또한 이전 이론으로부터 n 위상 Staggered 다중 병렬 dc-dc 컨버터에서 일반화 된 n 권선 결합 인덕터에 대한 최적 결합 계수의 명시적인 수학적 해석과 디자인 룰이 제시된다. n 권선 결합 인덕터에 대한 일반화된 방정식은 3 권선 결합 인덕터의 예제를 통해 검증된다. 이 새로운 관찰은 커플 링 된 인덕터의 이론적 모델을 사용하여 설명되고 시뮬레이션 및 실험적 테스트를 통해 검증하였다. 실험적 결과는 최적 결합 계수를 얻기 위해 새로 제안 된 방법을 성공적으로 검증하였다.

Comparison of Current Ripple According to the Coupling Coefficient of Differential Mode Coupled Inductor in Inverter

형도 건국대학교 대학원 2022 국내석사

세계 각국의 산업 발전은 온실가스 배출 증가로 이어졌고, 이는 심각한 기후변화로 다가왔으며 자연재해, 생태계 파괴, 식량고갈 등의 문제를 야기하였다. 이에 따라 국제 사회는 전 지구적 협력의 필요성을 인식하였다. 2050 탄소중립 정책의 10대 정책 중 ‘미래모빌리티로 전환’에 걸맞게 한국사회의 교통 산업은 기존 내연기관에서 전기자동차로 전환이 확산되고 있다. 기술의 발전에도 기존 내연기관 대비 전기자동차의 충전속도는 다소 느린 수준이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 1시간이내로 충전이 가능한 대용량 급속 충전기가 개발되고 있다. 전기자동차의 충전시간이 긴 문제를 해결하기 위해 1시간 이내 충전이 가능한 대용량 급속충전기가 개발되고 있다. 그러나 이러한 대용량 모델의 단일 모듈 개발은 돌입 전류에 의한 전력용 반도체 소자의 안전 동작 영역 초과의 위험성과 더불어 자성소자의 성능 악화로 신뢰성이 하락하게 된다. 본 논문은 이러한 문제를 개선하기 위해 2상 인터리브드 인버터에서 차동모드 커플드 인덕터를 사용하는 제안을 제시한다. 본 논문은 차동모드 커플드 인덕터를 적용한 단상 하프브릿지 구조를 갖는 인터리브드 인버터의 동작 원리를 분석하여 등가 인덕턴스와 전류 리플의 관계를 수식화한다. 커플드 인덕터를 적용한 본 인버터는 인터리브드 특성을 검증하고 인덕터 코어의 물리적 부피 감소, 각 상 인덕터의 전류 리플 감소 효과에 대해 다룬다. 또한, 수식화된 동작 원리를 기반으로 결합계수에 따른 커플드 인덕터의 전류 리플 변화를 확인하고 그에따른 장점을 확인하고자 한다. Global air pollution is getting more serious, intensifying the energy crisis. Traditional fuel cars consume a lot of oil resources and bring heavy pressure to environmental pollution at the same time, and the concept of low-carbon travel of green energy saving and emission reduction is gaining popularity. The transportation industry in Korean society is switching from the existing internal combustion engine to electric vehicles to implement "Switching to the Future of Mobility," one of the ten carbon neutral policies of 2050. Despite the development of technology, the charging speed of electric vehicles is somewhat slower than that of existing internal combustion engines. High-capacity fast chargers capable of charging within one hour are being developed to solve the problem of long charging times for electric vehicles. However, the development of a single module for this high-capacity model is likely to exceed the safe operating range of power semiconductor devices due to inrush currents, and the performance of magnetic devices can be degraded. This paper presents a proposal to use differential mode coupled inductors in two-phase interleaved inverters to improve these problems. This thesis analyses the operating principle of an interleaved inverter with a single-phase half-bridge structure using a differential mode coupled inductor, and the relationship between the equivalent inductance and the current ripple is derived. It is verified that the inverter with coupled inductors reduces the harmonics caused by circulating currents, and the effect of reducing the physical volume of the inductor core and reducing the current ripple of each phase inductor is discussed. In addition, based on the derived equations, the variation of the coupled inductor current ripple with the interpretation of the coupling coefficient is verified, and its advantages are confirmed.

Graded index 光纖維의 Mode coupling coefficient 決定에 關한 硏究

이호준 成均館大學校 1986 국내박사

Electromagnetic coupling analysis between dipole antenna and transmission line using PEEC method

Oh, Jeongjoon Sungkyunkwan university 2018 국내석사

In recent years, mobile devices have become increasingly multi-functional and high performance, resulting in a dramatic increase in processing speed. On the other hand, the size of device is reduced; circuits inside the device are more easily exposed to electromagnetic interference radiated from antenna or adjacent circuits, degrading the system performance. To prevent this, it is necessary to design the device considering the electromagnetic characteristics with EM simulation at the design stage of product. However, the EM simulation takes a long analysis time and requires high-level system resources for fast analysis. In this thesis, an equivalent circuit modeling method for a round wire is proposed using a PEEC method and the electromagnetic coupling from a dipole antenna to a transmission line is analyzed in frequency domain and compared with the result of electromagnetic simulator. As a result, PEEC method shows good agreement with those of electromagnetic simulation, in a much shorter time.

結合係數形 等價回路에 의한 誘導機器의 解析

이광직 東國大學校 1993 국내박사

스프레이 분사 방식을 이용한 3차원 구조물의 표면에 positive temperature coefficient (PTC) 복합재료 발열체 형성 소재 및 공정 연구

이서우 성균관대학교 일반대학원 2022 국내석사

최근 기후변화 대응으로 전기자동차의 시장 규모가 커져감에 따라 전기 자동차 성능을 개선하기 위한 연구도 활발히 진행 중이다. 전기자동차는 많은 전자부품으로 구성되어 있어, 전자파 간섭 (EMI) 차폐 성능이 요구되며, 전기자동차의 배터리가 저온에서도 높은 성능을 나타내기 위해 일정한 온도를 유지시켜 줄 히터 또한 요구된다. PTC 복합재료는 결정성 고분자와 전도성을 띄는 입자를 혼합한 고분자 복합재료이다. 주변 온도가 결정성 고분자의 용융온도 부근에 도달하면, 결정성 고분자의 부피 팽창으로 인해 전도성 입자의 거리가 멀어져 전기저항이 상승하게 되고, 반대로 온도가 다시 낮아지면 결정성 고분자의 부피 수축으로 인해 전기저항이 낮아진다. 이런 특성 때문에 PTC 복합재료를 발열체로 형성하여 자가 온도 조절 히터로 사용하고 있다. 또한 PTC 복합재료의 카본은 전자파를 흡수하는 물질로 알려져 있어 EMI 차폐 물질로 사용할 수 있다. 본 연구에서는 전기자동차의 성능 개선을 위해 자가 온도 조절 기능과 EMI 차폐의 이중 특성을 보이는 Positive temperature coefficient (PTC) 복합재료를 스프레이 분사 방식을 이용하여 3차원 구조물의 표면에 형성하는 연구를 진행하였다. 스프레이 분사 방식을 이용하여 형성한 PTC 복합재료가 3차원 구조물의 표면에서 떨어지지 않도록 접착성능을 향상시키기 위해 실란 커플링제 중 (3-aminopropyl) triethoxysilane 을 표면에 코팅 후 PTC 복합재료를 인쇄하였다. 이 때, 접착력은 0.62 kgf 에서 1.77 kgf 로 상승한 것을 확인하였다. 또한, 스프레이 분사 과정에서 압축공기로 인해 발생한 응축수가 PTC 복합재료와 섞이지 않아서 건조 후 생기는 응집 현상을 비이온계 계면활성제 중 Diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE) 를 첨가하여 개선하였다. 스프레이 분사 방식으로 형성한 PTC 복합재료 발열체가 실제 생산 현장에서 사용하는 스크린 인쇄 방식으로 형성한 PTC 복합재료 발열체와 동일한 성능을 보이는지 실험을 통해 확인하였다. PTC 세기는 스프레이 분사 방식일 때 1.33, 스크린 인쇄 방식일 때 1.5, 열평형 온도는 스프레이 분사 방식일 때 68 °C, 스크린 인쇄 방식일 때 62.7 °C로 비슷한 특성을 가짐을 확인하였다. 또한, 스프레이 분사 방식으로 2차원 구조물의 표면과 3차원 구조물의 표면에 PTC 복합재료 발열체를 형성했을 때 동일한 성능을 보이는지 확인하였다. PTC 세기는 2차원 구조물일 때 1.33, 3차원 구조물일 때 1.26, 열평형 온도는 2차원 구조물일 때 34.7 °C, 3차원 구조물 일 때 36.1 °C로 비슷한 특성을 가짐을 확인하였다. 스프레이 분사 방식으로 형성한 PTC 복합재료의 EMI 차폐성능은 10 dB 이하로 차폐재로 적용하기에는 성능이 부족한 것을 확인하였다. 그러나 PTC 복합재료의 두께를 높일수록 전자파 흡수율이 상승하는 것을 확인했다. 두께가 3 mm 일 경우 최대 30 % 의 전자파를 흡수하였다. As the market for electric vehicles grows in response to climate change, researchs are actively underway to improve electric vehicle performance. electric vehicles are composed of many electronic components and thus requires EMI shielding performance, and a heater that will maintain a constant temperature to exhibit high performance even at low temperatures is also required. The PTC composite materials can be obtained by blending crystalline polymer and conductive particle. When the temperature reaches the melting temperature of the crystalline polymer, the distance of the conductive particles is increased due to volume expansion of the crystalline polymer to increase electrical resistance, and when the temperature is decreased again, the electrical resistance is decreased. Because of these characteristics, the PTC composite materials are formed as a heating element and used as a self-temperature controlling heater. In addition, carbons of the PTC composite materials are known as a material that absorbs electromagnetic waves, and thus may be used as an EMI shielding material. In this work, we research spray coating processes and materials systems for surfaces of 3D objects to form PTC composite materials with a double characteristics of a self-temperature control function and EMI shielding to improve the performance of an electric vehicle. In order to improve adhesive performance so that spray-coated PTC composite materials do not fall off the surface of the 3D structure, (3-aminopropyl) triethoxysilane is coated on the surface, and then the PTC composite materials are printed. Also, after drying because condensate water generated by compressed air during the spraying process is not mixed with the PTC composite material, the agglomeration phenomenon is improved by adding diethylene glycol monobutyl ether (DEGBE) to the nonionic surfactant. we evaluate that whether the spray-coated PTC composite materials have the same performance as the screen-printed PTC composite materials used in the actual production site and whether the spray-coated PTC composite materials formed on the surface of the 2D structure have the same performance as the spray-coated PTC composite materials formed on the surface of the 3D structure. Lastly, we evaluate that the EMI shielding performance of the spray-coated PTC composite material

IPT 결합계수에 대응 가능한 전기자동차용 유ㆍ무선 통합 충전시스템 분석 및 설계

손원진 성균관대학교 일반대학원 2024 국내박사

최근 전기자동차 (Electric Vehicles, EVs)의 시장이 증가되고 요구 성능이 증가됨에 따라 그에 맞는 충전 인프라 기술의 가속화도 이루어지고 있다. 현재 대부분의 상용화되어 있는 충전 인프라는 뛰어난 충전 성능을 제공하는 유선 방식의 충전 인프라로 구성되어 있다. 이와 달리 무선 방식의 충전 인프라는 사용자의 편의 및 안전성이 보장되지만 아직 각종 규제에 대한 문제 및 표준에 대한 준비로 일부 지역에서만 시범적으로 운용되고 있다. EV 무선 충전 기술은 자율 주행 기술과 더불어 EV의 상용화를 더욱 촉진시킬 수 있는 기술로 평가받고 있다. 현재의 EV 충전 방식은 서로 다른 충전기를 탑재하고 있기 때문에, 고유의 충전 인프라 하에서만 충전이 가능하며 상호 운용이 불가능하다. 하지만 EV 사용자의 입장에서 충전 인프라는 사용자의 편의 및 필요성에 맞게 선택되어야 하는 사항이며, 고려사항이 아니기 때문에 두 충전 인프라에서 모두 충전 가능한 시스템 개발은 필수적이다. 이와 관련하여 최근 EV 통합 충전 시스템을 위한 연구들은 기존의 시스템을 활용하거나 새로운 구조를 제안하는 방식으로 연구를 진행하였지만, 무선 충전 시스템의 결합계수 변동을 고려하지 않았다. EV용 무선 충전 시스템은 다른 전자기기의 무선 충전 시스템과 달리 송·수신 패드 사이에 큰 수직 이격거리를 가지며, 정렬 오차가 크며, 넓은 부하 범위를 가진다. 따라서 정렬 오차에 따라 무선전력전송 (Inductive Power Transfer, IPT) 결합계수 및 패드 파라미터의 변동이 발생하고 이로 인해 시스템 출력 및 동작 주파수가 변동하여 이에 대한 고려가 필수적으로 이루어져야 한다. 그러나, 기존의 연구들은 통합 충전시스템 구성과 각 충전 방식의 동작 모드에 대한 분석만 이루어졌으며, 무선 충전 시스템의 이격거리 변동에 대한 분석 및 설계를 진행하지 않았다. 따라서 본 논문에서는 전기자동차용 유·무선 통합 충전시스템 설계를 위해서 각 충전 시스템의 설계 시 구조 및 특성에 대해서 분석하고, 다양한 통합 충전시스템 구성에 대해서 장, 단점을 분석한다. 분석 결과를 통해서 기존의 탑재되어 있는 유선 충전 시스템에 활용 가능한 통합 충전시스템 구성안을 선정하고, 결합계수 변동에 대응 가능한 유·무선 통합 충전 시스템을 설계한다. 최종적으로 선정한 통합 충전시스템 설계의 타당성을 검증하기 위해 6.6 [kW]급 프로토타입을 제작하여 제안하는 시스템의 성능 평가를 실시한다. Recently, the development of the charging infrastructure technology is accelerating with the commercialization of electric vehicles (EVs). Most charging infrastructure consists of plug-in charging infrastructure that provides excellent charging performance. On the other hand, wireless charging infrastructure that guarantees user convenience and safety is being operated on a pilot basis. EV wireless charging is evaluated as a technology that can further promote the commercialization of EVs along with autonomous driving technology. Since current EV charging methods are equipped with different types of chargers, charging is possible only under a unique charging infrastructure and is not interoperable. However, from the perspective of EV users, charging infrastructure is optional and not a consideration, so it is essential to develop a system that can charge from both charging infrastructures. In order to integrate two charging systems, it is necessary to understand the characteristics of each charging infrastructure and design a system that satisfies the charging profile of the battery. Unlike plug-in charging, the wireless charging system requires system design that takes into account the load characteristics as the inductive power transfer (IPT) coupling coefficient various depending on the EV parking location. To design an integrated charging system, this dissertation analyzes the structure and characteristics of the plug-in charging system and the wireless charging system and analyzes the advantages and disadvantages of various configurations of the integrated charging system. Then, the integrated charging system using the plug-in charging system installed in existing EVs is constructed to select a system with high usability. A compensation network is designed so that the charging system can respond to changes in the IPT coupling coefficient and satisfies the charging profile control of the battery. Finally, to verify the feasibility of selecting the proposed integrated charging system, a 6.6 [kW] prototype is produced and the performance of the proposed system is evaluated.