유기트랜지스터 구동안정성에 영향을 미치는 전하트랩 현상의 분광학적 분석에 관한 연구

문병호 포항공과대학교 일반대학원 2019 국내박사

유기전계효과 트랜지스터에 관한 연구는 30여년 이상 큰 주목을 받아온 연구이다. 이러한 주목을 받은 원인은 유기물의 특성을 활용한 유연전기소자로의 활용 가능성 때문이다. 최근에 많은 연구들을 통하여 무기물 기반의 실리콘 트랜지스터가 구현을 했던 수준의 전하이동도를 보이는 물질이 보고되고 있으며, 더 나아가 실제 상용화에 응용을 하여도 충분한 전하이동도를 보이는 유기반도체 물질들이 보고되고 있다. 하지만, 이러한 좋은 전하이동도를 지니는 유기반도체의 개발에도 불구하고 실제 상용화를 할 수 없는 가장 큰 이유 중 하나는 실제 구동하는 조건, 즉, 게이트전압 및 소스-드레인 전압을 지속적으로 받을 시에 발생하는 구동안정성의 저하 현상에 관한 연구가 부족하기 때문이다. 일반적으로 유기전계효과 트랜지스터에서 구동안정성이란, 시간에 따라 감소하는 소스-드레인 전류의 감소 정도 및 일정한 게이트전압과 소스-드레인 전압 하에서 변화하는 문턱전압의 변화를 통해서 비교를 하고 있다. 유기전계효과 트랜지스터에서 구동안정성에 영향을 미치는 요인은 유기반도체, 절연층 그리고 유기반도체/절연층 계면에서 발생하는 전하의 트랩핑 현상 때문이다. 전하의 트랩핑 현상은 물리적 관점에서는 유기반도체 내부에 이론적으로는 에너지 준위가 존재를 할 수 없지만, 실제 유기반도체 모델에서는 HOMO와 LUMO 사이에 특정한 에너지 준위가 존재할 수가 있고 이러한 에너지 준위에 전하가 빠지게 되면, 전하의 트랩핑 현상이 일어난다고 알려져있다. 이때, 밴드갭내부에 존재하는 에너지 준위가 HOMO 또는 LUMO로부터 어느 정도 깊이의 트랩 에너지 준위를 갖느냐에 따라 ‘deep트랩’과 ‘shallow트랩’으로 세분화할 수 있다.‘deep트랩’의 경우는 전하이동경계로부터 열적 움직임에 의해서는 전하들이 여기 될 수 없는 형태의 트랩으로서 상당히 오랜 시간 머무르고 있으므로, 이러한 전하에 의해 손실 되는 에너지 필드의 저하를 보완하기 위해 더 큰 게이트 전압을 필요로 하므로 문턱전압의 변화가 일어나며, 이러한 변화로부터 ‘deep트랩’의 정도를 가늠할 수 있다. 반면, ‘shallow트랩’의 경우는 전하이동경계로부터 열적 움직임에 의해 전하들이 충분히 여기 될 만한 낮은 준위의 에너지 준위를 가지므로 머무르는 시간이 길지 않아 문턱전압의 변화보다는 전하이동도의 변화를 야기하는 트랩이다. 화학적 관점으로는 실제 유기반도체가 고체박막을 형성하는 과정에서 고분자 사슬의 휘어짐 현상으로 인하여 고분자사슬에 비편제화가 충분히 이루어지지 못하고 부분적으로 편제화가 되면서 고분자 사슬을 통한 전하의 이동이 원활하게 이루어지지 못하는 형태의 트랩을 비롯하여, 고분자 내부에서 발생할 수 있는 결점으로 인해서 바뀌는 고분자사슬의 휘어짐 현상, 이를 통해 발생하는 결정성의 변화 및 분자배향의 변화 등으로 인하여 트랩 되는 전하들이 발생할 수 있다. 또한 이 외에도, 외부적인 (환경적) 요인으로 인하여 외부의 불순물, 수분, 산소 등으로 인한 전하의 트랩핑 현상이 발생할 수 있으며, 이렇게 형성된 트랩들이 실제 전하의 이동을 방해하여 구동안정성의 저하를 야기할 수 있다. 이러한 구동안정성에 관한 원인은 유기전계효과 트랜지스터 여러 부분에서 발생할 수 있는 전하의 트랩핑 현상 때문이라는 것은 밝혀졌지만, 대부분의 구동안정성 연구는 시간에 따른 드레인 전류의 감소에 관한 상대적 비교 및 시간에 따른 소자의 문턱전압변화의 상대적 비교가 대부분이며, 이러한 전하트랩의 위치 및 종류 그리고 그 에너지 준위에 관한 정밀한 분석은 많이 이루어지지 않은 실정이다. 실제로, 무기물 트랜지스터에서 구동안정성 및 전하트랩핑 현상에 관한 분석 방법들의 경우는 앞서 소개한 상대적 구동안정성 비교에 비해서는 정밀하긴 하지만, 유기물이 가지는 특성에 분석 방법이 적절하지 않은 경우들이 있어 구동안정성 비교가 불가능한 경우도 있으며, 좀 더 자세한 분석을 하기에는 정밀도가 떨어진다고 할 수 있다. 그렇기 때문에 전하의 트랩핑 현상을 좀 더 정밀하게 분석하기 위해서는 분광학적 방법을 이용하는 것이 유리할 것이며, 유기물의 상태에 어떠한 영향을 주지 않으므로 적절한 방법이라 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 Photo Excited Charge Collection Spectroscopy (PECCS)를 이용한 전하트랩핑 현상을 정밀 분석해보고자 한다. PECCS는 충분히 구동을 시켜 모든 트랩 에너지 준위를 트랩전하들로 가득 채운 후, 이를 장파장 (낮은 에너지)부터 단파장 (높은 에너지)로 단색광의 에너지 크기를 달리하여, 전하이동경계로부터 순차적으로 트랩된 전하들을 탈 트랩화 시킴으로써 트랩된 전하를 유기반도체 채널에서 움직일 수 있는 전하로 변화시켜줌으로써 변화하는 게이트전압-드레인전류 곡선으로부터, 문턱전압 변화량을 구하고 이 값을 이용해서 트랩된 전하들의 양과 그 에너지 준위에 관한 정보를 정밀 분석 할 수 있는 분석방법이다. 이 분석 방법은 실제로 소자가 구동하는 동일한 조건에서 구동안정성에 관한 분석이 가능하며, 트랩된 전하들의 에너지 준위 및 밀도에 관한 높은 분해능을 가지고 있으므로, 기존의 분석 방법들에 비하여 구동안정성에 관한 분석을 하기에 더 정밀하고 정량적인 방법이라고 할 수 있다. 이러한 분석방법의 한계와 더불어 유기반도체의 구동안정성에 관한 분석에서 어려운 점 중 하나는 구동안정성에 영향을 주는 요인이 너무 다양하기에 이러한 요인들을 종합적으로 고려할 경우, 각 요인들이 구동안정성에 미치는 영향에 대해서 독립적으로 분석을 하기 힘들다는 단점이 있다는 것이다. 그렇기 때문에 이러한 여러 요인들 중 특정한 요인에 관한 영향을 독립적으로 분석 할 수 있는 모델시스템에 관한 분석이 필요하다. 예를 들어 유기반도체의 결정성, 배향, 고분자사슬의 메인 사슬의 종류 등과 같은 여러 변인들 중 다른 변인들에 관한 통제가 이루어지며, 영향을 보고자 하는 요인이 차이가 나는 모델 시스템을 구성하여 정밀하게 분석하는 방향으로 연구가 진행되어야 할 것이다. 따라서 본 학위 연구에서는 구동안정성에 관한 다양한 요인들을 통제하고 특정한 요인만이 미치는 영향을 파악하기 위한 시스템을 구축하여 이 시스템에 관한 정밀한 구동안정성 분석을 해보고자 한다. 이러한 영향 중 특히, 본 학위 연구에서는 분자배향이 구동안정성에 미치는 영향, 분자내부의 곁가지의 밀도를 제어하여 조절된 결정성이 구동안정성에 미치는 영향 그리고 고분자 사슬의 메인 사슬에 있는 플루오르 원자가 구동안정성에 미치는 영향을 정밀하게 분석하고자 한다. 먼저, 첫 번째 모델시스템으로서 분자 배향이 유기전계효과 트랜지스터의 구동안정성에 미치는 영향에 관한 연구를 위하여, thermal 어닐링을 할 때 온도를 달리하여 분자배향을 손쉽게 변경할 수 있으며, 상이하게 다른 분자배향인 Edge-on 구조와 Face-on 구조를 가짐에도 불구하고 전하이동도 및 박막의 결정성은 거의 차이가 없고 구동안정성에서는 Edge-on 배향이 훨씬 떨어지는 특성을 가지는 P(NDI2OD-T2)라는 N타입 유기반도체를 이용한 시스템을 통하여 분자배향이 구동안정성에 미치는 영향에 관한 연구를 해보았다. 일반적으로 전하이동도는 분자배향이 Edge-on일때가 Face-on일 때 비해서 더 좋다고 알려져 있으며, 전하이동도가 일반적으로 좋다면, 구동안정성도 좋을 것이라고 유추할 수 있을 것이다. 하지만, 실제 P(NDI2OD-T2) 고분자의 경우는 배향에 따른 전하이동도의 차이도 없을 뿐만 아니라 구동안정성은 Edge-on에서 훨씬 떨어진다는 것을 발견할 수 있었다. 따라서 이러한 구동안정성에 영향을 주는 전하트랩핑 현상에 관한 정밀한 분석을 위해 PECCS를 이용해서 분석해본 결과, 실제 밴드갭 내부에서 우세하게 존재하는 트랩에너지 준위가 존재하며, 이 때 생성되는 전하의 트랩 현상이 Edge-on 배향에서 두드러지게 나타남을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 실제 전하의 트랩핑 현상이 유기반도체, 절연체, 유기반도체/절연체 계면 중에서 유기반도체 내부에 우세하게 존재함을 실험을 통하여 확인할 수 있었으며, 유기반도체 내부에서도 채널 부분 (수평적 전하이동)과 전극에서 채널 쪽으로 이동하는 주입 부분 (수직적 전하이동)의 영향을 분리해내어 유기반도체 내부 중에서도 주입 부분 영역에서 전하의 트랩핑 현상이 우세하게 발생하며, 이는 Edge-on 구조가 가지는 특성으로 인해서 수직적 전하흐름에서 반드시 지나야 하는 알킬 곁가지들에서 유도되는‘바이폴라론’의 형성으로 인하여 구동안정성이 저하된다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 전하이동도 측면에서는 채널 부분에서 Edge—on 배향이 가지는 장점으로 인하여 유리할 수 있으나, 전극에서 채널 쪽으로 이동하는 전하들의 이동에서 손실이 발생하므로 전하이동도는 배향에 따라 큰 차이가 없을 것이라는 메커니즘에 관하여 고찰해보았다. 다음으로는 최근 보고되는 저결정성 고분자의 경우 비록 결정성은 떨어지지만 비결정 부분에서의 사슬간 전하이동도를 향상시키는 컨셉을 통해 전하이동도를 크게 향상 시킨 P3HT와 P3HT의 곁가지 밀도를 조절한 RP33이라는 유기반도체를 이용한 시스템을 통해 저결정이지만 전하이동도가 높은 시스템에서의 구동안정성을 평가해보고자 했다. 비록, RP33이 P3HT에 비해서 알킬곁가지가 적기 때문에 고분자 메인사슬이 스스로 정렬될 확률이 적어져 결정의 밀도는 줄어들지만, 적은 곁가지로 인하여 비결정 부분에서 사슬과 사슬 사이에 거리가 가까워 질 수 있으며, 이를 통해 사슬의 평면성이 향상되어 사슬-사슬간 전하이동도의 향상으로 인해 전체적인 전하이동도의 향상이 가능하다. 하지만 비결정 부분이 많이 존재하기 때문에 전하의 트랩 현상이 더 용이하게 일어날 확률이 높다. 따라서 이러한 접근방법으로 디자인된 고분자의 구동안정성에 관한 분석이 반드시 필요하다. 실제, RP33의 경우 P3HT에 비하여 상당한 수준의 전하이동도 향상을 보이지만 구동안정성은 훨씬 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 실제 일정시간 동안 구동을 한 후에 전기적 특성이 문턱전압의 변화는 P3HT가 많이 일어나지만 RP33의 경우에는 문턱전압의 변화보다는 전하이동도의 변화가 훨씬 두드러지게 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서 이러한 특성으로부터 P3HT의 경우는 ‘deep트랩’이 구동안정성에 우세한 영향을 주며, RP33의 경우, ‘deep트랩’뿐 아니라 ‘shallow트랩’ 역시 구동안정성에 상당한 영향을 줄 것이라고 생각하였다. 실제 PECCS를 이용한 ‘deep트랩’의 분석을 통하여 밴드갭 내부의 에너지 준위를 밝혀냈으며, P3HT가 보다 더 많은 ‘deep트랩’을 가지고 있음을 밝혀냈다. 또한 우리의 가설을 증명하기 위하여 광에너지와 게이트전압을 이용한 전하 축적 현상을 함께 이용해 유기반도체/절연체 계면의 전하들을 절연층으로 이동시켜 ‘shallow트랩’을 유도함으로써 초기에 존재했던 (일정시간 구동조건을 받은 후) ‘shallow트랩’의 밀도를 분석해보고자 했다. 실제 이 분석을 통하여 구동조건하에서 RP33에서 보다 더 많은 ‘shallow트랩’이 형성됨을 확인할 수 있었으며, 전체 트랩 전하의 양이 RP33이 P3HT에 비하여 훨씬 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 구동안정성의 차이를 설명할 수 있었다. 또한 이러한 결과들로부터 전하이동 및 전하트랩 현상에 관한 메커니즘에 관해서도 분석을 하였다. 실제 P3HT의 경우 사슬간 연결성이 비결정 부분에서 좋지 않기에 에너지 측면에서‘deep트랩’이 많이 생길 수 있으며, 전하의 이동도 사슬-사슬을 넘어가기에는 사슬간의 연결성이 좋지 않아 불리하지만, RP33의 경우, 비결정부분의 사슬간 연결성은 좋아 전하가 ‘deep트랩’ 보다는 ‘shallow트랩’의 형태로 존재할 확률이 높다. 하지만 워낙 많은 비결정 부분이 존재하기 때문에 전체적인 트랩의 양이 많고 구동안정성은 떨어진다라는 것을 밝혀냈다. 마지막으로 최근 전하이동도를 크게 향상시키기 위한 고분자 디자인 접근방법으로서 플루오린 원자를 메인 사슬에 도입하여 사슬의 평면성을 향상시켜 고분자의 패킹 효율을 향상시키거나 donor-accepto 고분자에서 전자친화도가 높은 플루오린 원자를 도입해 사슬 내부의 전하이동도를 향상시켜 상당한 수준의 전하이동도 향상을 보고한 고분자 디자인 컨셉들이 많이 보고되고 있다. 하지만 전자친화도가 높은 플루오린 원소를 도입할 때 유도될 수 있는 전자의 트랩핑 현상으로 인해 실제 구동안정성 및 전하 트랩핑 현상에 어떠한 영향을 미칠지에 관한 분석은 미비한 상태이다. 따라서 플루오린 원자를 도입한 donor-acceptor 유기반도체에 관한 구동안정성 현상을 평가하고 전하이동 및 전하트랩핑 메커니즘을 규명해보고자 했다. 본 연구에서 이용한 고분자는 donor 부분이 benzodithiophene (PBDTT)으로 동일하며, acceptor 부분이 thiophene-vinylene-thiophene (TVT), difluorothiophene-vinylene-thiophene (ffTVT)으로 구성된 고분자 시스템을 이용하였다. 이 두 고분자, PBDTT-H와 PBDTT-F의 경우 PBDTT-F가 강한 accptor 모이어티를 가지고 있으므로 사슬내부에서 좋은 전하이동도를 보일 뿐만 아니라, PBDTT-F가 가지는 분자 응집 경향으로 인하여 비결정 부분에서 사슬들의 연결성이 우수하여 좋은 전하이동도를 보인다. 하지만 전하이동도의 경향과는 다르게 구동안정성 측면에서는 PBDTT-F가 PBDTT-H에 비하여 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. PECCS를 이용한 ‘deep트랩’의 분석 및 에너지 준위에 관한 분석결과 실제 ‘deep트랩’의 경우는 PBDTT-H에서 보다 더 많이 나타남을 확인할 수 있었으나, ‘shallow트랩’ 분석에서는 PBDTT-F에서 더 많은 트랩이 분석되며, 전체적인 트랩의 양 역시 PBDTT_F 박막에서 더 많이 관찰되었다. 가장 쉽게 생각해 볼 수 있는 원인은 플루오르 원소를 도입한 PBDTT-F 유기반도체의 HOMO와 LUMO의 에너지 변화로 인한 전하주입 장벽이 높을 것이라고 예상했으나 실제 분석결과에서는 오히려 PBDTT-F에서 전하주입 장벽이 더 낮음을 확인할 수 있었다. 따라서 다른 원인에 관한 분석이 필요했다. 일정 게이트전압과 소스-드레인 전압을 받은 PBDTT-F 트랜지스터의 경우 게이트전압-드레인전류 곡선에서‘이중기울기’현상을 관찰할 수 있었는데, 이는 전자친화도가 높은 플루오르 원자를 도입한 고분자들에서 발견되는 현상으로 구동초기에 형성되는 전자의 트랩 현상 때문이라고 알려져 있다. 즉, PBDTT-F 유기반도체의 경우 초기에 전자의 트랩 현상으로 인하여 고분자 사슬이 부분적으로 음극화 되고 홀 전하들이 사슬을 타고 이동을 하면서 쿨롱 상호작용을 통하여 ‘shallow트랩’이 형성될 확률이 높아져 구동안정성은 낮아지지만,‘deep트랩’이 형성 되는 것은 아니므로 전하이동도 측면에서 약간의 손실이 발생할 수 있으나 PBDTT-H 유기반도체에 비하여 좋은 사슬 내부의 전하이동 및 비결정 부분에서 사슬-사슬간의 좋은 연결성으로 인해 전하이동도가 높다는 메커니즘을 밝혀냈으며, 이를 보다 더 확실하게 입증하기 위하여 전자친화도가 매우 좋은 PC61BM를 유기반도체와 블랜드 시킨 박막과 PBDTT-F 유기반도체만 있는 박막의 구동안정성 및 ‘이중기울기’현상을 비교해본 결과 우리가 제안한 메커니즘이 타당함을 확인할 수 있었다. 더 나아가 구동안정성을 향상시킬 수 있는 방법을 제시할 수 있었다. 종합적으로, 본 학위 논문에서는 구동안정성에 영향을 줄 수 있는 다양한 요인이 독립적으로 미치는 영향에 관한 시스템을 구축하고 이를 분광학적 방법을 통하여 정밀하게 분석하고 이들을 정량적으로 규명하였을 뿐 아니라, 이러한 결과들을 종합적으로 고려하여 전하이동과 전하트랩핑 현상에 관한 메커니즘을 밝혀냈다. 이러한 분석방법을 통하여 최근에 보고되는 고이동도의 유기반도체들에 관한 구동안정성을 평가하고 원인에 관한 메커니즘을 규명하는 연구들을 통하여 궁극적으로는 고이동도를 가지며, 고구동안정성을 가지는 유기반도체 모델에 관한 가이드라인을 제시할 수 있을 것이며, 기존의 고분자 박막을 이용한 유기전계효과 트랜지스터의 구동안정성을 향상시킬 수 있는 방법들을 제시할 수 있을 것이다. 더 나아가 무기물을 대체할 수 있는 상용화 가능한 고이동도, 고구동안정성을 가지는 유기반도체 모델을 제시할 수 있을 것이라 기대한다. Organic field-effect transistors (OFETs) have attracted attention in recent decades because of their potential applications for flexible electronics. However, although the charge carrier mobilities in OFETs are superior to those of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) FETs, the OFET device stability remains a critical barrier to their commercial use. By this motivation, I have analyzed bias-stress stability induced charge carrier trapping and suggested mechanism of charge trapping and charge transport in organic semiconductor films. These objectives were achieved by spectroscopic measurements and analysis of investigated results. In Chapter 1, I brifly review the background for the research field of operational stability in OFETs. After that, the basic concepts for the OFET and bias-stress stability in OFETs are addressed, and the principle of spectroscopic measurement, Photo-Excited Charge Collection Spectroscopy (PECCS) that were used in my researches is introduced. Furthermore, limitations and research directions of existing research in operational stability of OFETs are covered. Finally, research objectives and motivations of this thesis are introduced in detail. In Chapter 2, the molecular orientation dependent of bias-stress stability in OFETs are investigated. The unique electrical properties of an n-type semiconducting polymer, poly[[N,N′-bis(2-octyldodecyl)-naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5′-(2,2′-bithiophene)] (P(NDI2OD-T2)), are explored to study the correlation between the microstructures of polymer semiconductor thin films and the bias stability of an OFET. It was demonstrated that although the charge carrier mobilities in a series of devices may be similar, the bias stress stabilities could differ significantly, depending on the molecular orientations of the semiconducting thin films. A higher degree of bias stress stability was attained in the P(NDI2OD-T2) FETs prepared with face-on thin-film structures compared to the bias stress stability attained in the edge-on film structures. Further experimental evidence suggests that the aliphatic alkyl chains in edge-on-oriented P(NDI2OD-T2) films presented a hurdle to vertical charge transport and induced large numbers of bipolarons during bias stress, in contrast with the face-on structured thin films. In Chapter 3, the molecular structure dependent of bias-stress stability in OFETs are considered. The various attempts for high charge carrier mobility of OFETs have been explored by increasing the connectivity between chains and a degree of backbone planarity regardless of crystallinity. However, high degree of amorphous regimes observed in these kinds of polymer films, thus a trapped charges are well formed compared to polymer semiconductor films with high degree of crystal regimes. I investigated bias stress stability and charge trapping phenomenon in poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and P3HT random copolymer (RP33) with ratio for 33% of non-alkyl thiophene moieties which has low degree of crystallinity, but high charge carrier mobility by increasing chain interdigitation and localized -orbital overlapping between localized aggregate parts in amorphous regimes. OFETs based on RP33 had higher charge carrier mobility, but lower bias stress stability than OFETs based on P3HT. Spectroscopic evidences suggest that although the RP33 films have low density of deep traps due to high degree of interconnectivity between chains in amorphous regimes, their non-alkyl thiophene moieties decrease a degree of crystallinity and increase shallow traps in amorphous regimes compared to P3HT films. Therefore bias stress stability of RP33 devices is lower than that of P3HT devices during prolonged bias. In Chapter 4, the effect of fluorinated conjugated polymers to operational stability are studied. The various attempts for high charge carrier mobility of OFETs have been explored by fluorinated conjugated polymers. However, the operational stability of fluorinated conjugated polymers devices are not investigated clearly. Therefore I investigated bias-stress stability and charge trapping phenomenon in fluorinated conjugated polymer based on same donor moiety, 4,8-bis(5-(2-hexyloctyl)thiophen-2-yl)benzo[1,2-b;4,5-b`]dithiophene-2,6-diyl-alt-(4-(2-hexyloctyl) (PBDTT) with different acceptor moieties, thiophene-vinylene-thiophene (TVT), and difluoro thiophene-vinylene-thiophene (ffTVT). The OFETs device based on PBDTT-ffTVT (PBDTT-F) had higher charge carrier mobility, but lower degree of bias stress stability than OFETs based on PDBDTT-TVT (PBDTT-H) one. Furthermore, spectroscopic measurement methods for detailed analysis about energy level state and charge carrier density of trap suggested that although the PBDTT-F films have low density of deep traps due to high degree of inter-chain connectivities, the density of shallow trap in PBDTT-F films have more higher than compared to PBDTT-H one, because, fluorine atom that has high electron affinity properties in PBDTT-F polymer give rise to electron trapping at initial operation step of OFET device, then, electron trapped backbones are polarized negatively and negative polarized conjugated backbones induce hole carrier trapping that degrade operational stability of PBDTT-F OFETs. Therefore operational stability of PBDTT-F devices is lower than that of PBDTT-H devices during continuous bias.

Study on the Characteristics of Atmospheric Pressure Pulsed Plasma Using Global Modeling

정석용 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내박사

The unique chemical properties of plasma are used in various industries, from semiconductor processing to biotechnology. Cold plasma has an electron temperature of tens of thousands of kelvin and a gas temperature of hundreds of degrees simultaneously. Plasma’s non-thermal-equilibrium temperature state can generate reactive species, which is difficult to obtain in a general thermal equilibrium state. Forming plasma by pulsed power has various advantages over plasma with continuous power. The instantaneous power would be higher, residuals can be removed during the time between pulses, and the afterglow can be utilized immediately after the pulse is turned off. In this thesis, we investigated how the operation conditions of pulsed plasma affect the characteristics of the plasma and the afterglow phenomenon. A global model was adopted to handle complex plasma chemistry in various plasma conditions. The global model reduces the computational load by assuming an appropriate spatial distribution model without calculating it. We built a set of argon plasma reaction equations that can be used under atmospheric conditions and applied it to global simulation. Continuous power was applied to the global simulation for validation. The global model was modified to deal with oxygen-argon plasma, to investigate the generation of radicals or reactive species. We also examined the mechanism of the afterpeak phenomenon using the global model, which is experimentally observed. As a result of our research, we examined several essential plasma features. From simulation results of plasma discharged with continuous power, we found that the density of excited argon increased in proportion to the power and then saturated to a specific density. This power trend was explained through the generalized balance equation, implying that the same trend may be present for other reactive species. We also found that the pulsed power drive can reduce the energy transfer inefficiency due to the impedance mismatch of the resonant electrode. Finally, we found that radiation trapping and step ionization significantly affect the afterpeak at atmospheric pressure. These two phenomena may significantly influence the general atmospheric pressure plasma. This thesis provides the tendency and mechanism of plasma characteristics dependent on a wide range of operating conditions. The result of steady-state plasma dependence on power and plasma size is an extension of the well-known simple global model results. This thesis also provides the dependence of the reactive oxygen species density on the period and width of the pulse. We investigated parameters affecting the afterpeak and analyzed the mechanism of the trend. The simulation results provided in this thesis will serve as important guidelines for applications using pulsed plasma. 콜드 플라즈마는 수 만도에 이르는 전자온도와 동시에 수백 켈빈의 낮은 가스온도를 가진다. 이러한 플라즈마의 비평형 온도 상태는 일반적인 열평형 상태에서는 얻기 어려운 활성종을 생성할 수 있다. 플라즈마의 특별한 화학적 특성은 반도체 공정 부터 바이오에 이르기 까지 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 펄스형태로 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하는 경우 연속적인 전력으로 플라즈마를 형성하는 경우보다 다양한 장점이 있다. 전력의 순간 밀도를 높일 수 있고, 전력 전달 사이의 시간동안 잔여물을 제거할 수 있으며, 펄스가 꺼진 직후의 잔광을 활용할 수도 있다. 본 학위논문에서는 펄스 플라즈마의 구동 조건이 플라즈마의 특성과 잔광 현상에 어떤영향을 끼치는지 조사하였다. 넓은 영역의 플라즈마 조건에서 복잡한 플라즈마 화학을 다루기 위하여 글로벌 모델을 채택하였다. 글로벌 모델은 플라즈마의 공간 분포를 계산하지 않고 적절한 모델로 가정하여 계산부하를 낮춘다. 우리는 문헌 조사와 합리적인 물리적 추론을 통해 대기압 조건에서 사용가능한 아르곤 플라즈마 반응식 목록을 작성하였다. 먼저 우리의 모델에 연속 전력을 적용하여 유효성을 검증하였다. 또한, 산소가 포함된 아르곤 글로벌 모델을 작성하여 레디컬 또는 활성종의 생성을 조사하였다. 마지막으로 실험적으로 관측된 잔광급증(afterpeak)현상의 메커니즘을 분석하였다. 우리는 연구 과정에서 플라즈마의 몇가지 중요한 특징들을 규명하였다. 연속 전력으로 방전된 플라즈마의 시뮬레이션의 결과로부터 여기된 아르곤의 밀도가 전력에 비례하여 증가하다가 특정 밀도로 수렴함을 발견하였다. 이러한 전력에 대한 경향성은 일반화된 벨런스 방정식을 통해 설명되었으며 이는 다른 활성종에도 같은 경향이 나타날 수 있음을 시사한다. 펄스형태의 전력 구동은 공진전극의 임피던스 불일치에 의한 에너지 전달 비효율을 감소시킬 수 있음을 규명하였다. 마지막으로 대기압에서 잔광급증 현상에 방사가둠(radiation trapping)과 계단 이온화(step ionization)가 큰 영향을 미친다는 사실을 규명하였다. 이는 잔광급증 현상 뿐만 아니라 대기압 환경의 플라즈마에서 일반적으로 이 두 현상이 무시할 수 없는 역할을 하고 있음을 시사한다. 본 학위논문은 넓은 범위의 구동조건에 대한 플라즈마 특성 변화의 경향성과 그 메커니즘을 제공한다. 전력과 플라즈마 크기에 대한 정상상태 플라즈마 특성 변화는 잘 알려진 이상적인 글로벌 모델 결과에서 확장된 결과를 보여준다. 또한 펄스의 주기 및 폭 세기에 따른 산소 활성종의 밀도 변화를 제공한다. 잔광 급증의 세기에 영향을 주는 변수들을 조사하고 잔광급증이 변화하는 경향성의 원인을 분석하였다. 본 학위 논문에서 제공하는 시뮬레이션 결과들은 펄스 플라즈마를 사용하는 어플리케이션에게 중요한 가이드 라인이 되어줄 것이다.

A structure theory for graphs with fixed smallest eigenvalue

양재영 포항공과대학교 일반대학원 2017 국내박사

In 1977, Hoffman gave a characterization of graphs with smallest eigenvalue greater than $-1-\sqrt2$. In this thesis, We utilize the concept of Hoffman graphs, introduced by Woo and Neumaier, to generalize this result for smaller smallest eigenvalue. Chapter 1 is an introduction of our main topic. Firstly, we give the characterizations of generalized line graphs by Cameron et al. and Hoffman. Secondly, we present the statement of our main results, which are generalizations of a result of Hoffman, and an overview of the known results on Hoffman graphs. In Chapter 2, we introduce some preliminary notions of spectral graph theory and basic definitions of Hoffman graphs, which will be used throughout this thesis. Chapter 3 and 4 are concerned with the structure theory for graphs with fixed smallest eigenvalue, which is a prerequisite for the proof of the main results. In Chapter 3, we introduce two new concepts, quasi-cliques and associated Hoffman graphs. These two concepts provide the relation between smallest eigenvalue of ordinary graphs and smallest eigenvalue of Hoffman graphs. In Chapter 4, we find some properties of graphs with fixed smallest eigenvalue. These properties are obtained from looking at smallest eigenvalue of associated Hoffman graphs. Chapter 5 and 6 deal with our main results and their applications. In Chapter 5, we classify all $t$-fat Hoffman graphs with smallest eigenvalue at least $-t-1$. They are characterized by finite number of Hoffman graphs. These Hoffman graphs play key role in the statement of our main results. In Chapter 6, we state our main results, which generalize the characterization of Hoffman. Our main results provide new tools to study the structure of graphs cospectral with the Hamming graph $H(3,q)$, the Johnson graph $J(n,3)$ and the $2$-clique extension of grids. 호프만은 1977년에 최소고유치가 $-1-\sqrt2$보다 크고 최소차수가 충분히 큰 그래프들은 generalized line graph라는 사실을 보였다. 이 논문에서 우리는 이 결과를 일반화하기 위해서 호프만 그래프의 개념을 이용하였다. 1장은 논문의 서론이다. 우리는 호프만의 원 정리와 그와 비교되는 카메론 외 3명의 정리를 제시하고, 그것을 일반화한 우리의 주요 결과를 서술하였다. 2장에서 우리는 이 논문에서 쓰일 그래프 이론과 호프만 그래프에 대한 기본적인 용어와 정리를 소개한다. 3장과 4장은 주요 결과를 보이기 위한 준비 작업인 고정된 최소고유치를 가지는 그래프의 구조 이론에 대한 장들이다. 3장에서는 quasi-clique과 associated 호프만 그래프라는 새로운 두 개념을 소개한다. 이 두 개념은 호프만 그래프와 일반적인 그래프의 최소고유치 사이의 관계를 보여준다. 4장에서는 이 두 개념을 이용해서 고정된 최소고유치를 가지는 그래프가 어떤 성질을 가지는가를 보여준다. 이 성질들은 associated 호프만 그래프의 최소고유치를 관찰함으로써 얻어진다. 5장과 6장은 우리의 주요 결과와 그 응용을 다룬다. 5장에서 우리는 $t$-fat 호프만 그래프 중 최소고유치가 $-t-1$인 모든 호프만 그래프를 분류한다. 이 호프만 그래프들은 유한한 호프만 그래프의 집합인 $\Go(t)$로 표현되고, 이 집합 $\Go(t)$는 우리의 주요 결과를 서술하는데 결정적인 역할을 한다. 6장에서는 호프만의 결과를 일반화하는, 이 논문의 주요 결과 두 개를 서술한다. 이 결과는 해밍 그래프 $H(3,q)$, 존슨 그래프 $J(n,3)$, 그리고 격자 그래프의 $2$-clique extension와 같은 고유치를 가지는 그래프들의 구조를 밝히는데 적용된다.

고해상도 SAR의 부엽 저감에 관한 연구 : Research on sidelobe reduction of high resolution SAR

우재춘 포항공과대학교 일반대학원 2012 국내박사

The synthetic aperture radar (SAR) is a type of imaging system that uses electromagnetic waves to obtain a high-resolution two-dimensional image of a ground surface . As the SAR is an effective system irrespective of the time of the day or the weather condition, it has found numerous applications as varied as remote sensing; surveillance; terrain, sea and ice monitoring. The two important parameters of the SAR are its resolution and its sidelobe level as the other types of imaging system. To obtain more detail target image or to distinguish the targets which are closely spaced, the high-resolution is required. In general, enhancement of the SAR resolution requires the use of a broadband system, which increases the cost. High sidelobe levels of SAR images result in a high noise floor, because of which, it becomes difficult to distinguish a target with a small radar cross section. To present a study of methods to reduce the sidelobes of the high resolution SAR images, the fundamentals of the SAR and the basic SAR reconstruction algorithms are reviewed, which include a basic SAR system model, a received signal properties in various domains, and some reconstruction algorithm such as the range migration algorithm (RMA) and the range-Doppler algorithm (RDA). One conventional method for reducing the sidelobes is by using window functions such as the Hamming and Hanning windows in the spectral domain. Various window functions have been developed and are available in a previous study. However, the primary drawback of windowing is the broadening of the mainlobes. To reduce the sidelobes without the loss of the resolution, spatially variant apodization (SVA) uses a non-linear space-variant windowing technique, which is a generalization of the cosine-on-pedestal window. SVA can be used in combination with inverse filtering to extend the signal bandwidth or to fill the band-gap in partial Fourier SAR data; this combined technique is called super-SVA. Because super-SVA can both improve the resolution and reduce the sidelobes, it is widely-used. I briefly present SVA and super-SVA. The experimental results using the AutoSAR system and the AVRIS system show the effective reduction of the sidelobes of SVA and the effective enhancement of the resolution of super-SVA. The sidelobe becomes larger and spreads throughout the entire image when multiplicative noises (e.g., nonuniform sampling, azimuth position error, chirp rate mismatch and timing jitter) are presented. Because multiplicative noise depends on the SAR data, it is more difficult to reduce the multiplicative noise than additive noise. Recursive sidelobe minimization (RSM) has been developed to reduce sidelobes of SAR images in the presence of multiplicative noise. RSM was initially developed for ultra-wideband (UWB) synchronous impulse reconstruction forward looking radar that applies the back-projection SAR reconstruction algorithm. This radar uses an impulse-like pulse, but RSM can be applied to any pulse used in SAR. Also, RSM can be applied to any SAR configuration such as airborne linear SAR that uses the backprojection algorithm. I briefly introduce the RSM technique and modify the RSM technique for the use in RDA and linear SAR. I show the results of the simulation and experiment using the real SAR (AutoSAR) data. The signal processing techniques such as super-SVA which is used to extend the bandwidth of the SAR image have a limitation in the bandwidth extension because of noise and the imperfection of systems. There is a hardware technique, which is called synthetic wideband waveform system (SWW) or stepped-frequency chirp system, to extend the SAR image bandwidth . SWW employs a burst of narrowband signals. SWW, however, may suffer from large grating lobes. To circumvent this drawback, the nonlinear synthetic wideband waveform (NL-SWW) has been suggested. NL-SWW suppresses grating lobes by varying the step frequency between the pulses and by allowing overlap in the frequency. However, NL-SWW requires a quite complicated system. I explain a method of using the simple system of linear SWW to achieve an effectively NL-SWW using super-SVA. Most signal processing techniques to extend SAR image bandwidth such as super-SVA include the inverse filtering to make an uniform spectrum. This causes an increase of noise. In addition to this, some errors in the signal processing and the imperfection of system reduce the effectiveness of SVA. So, I present the method to additionally reduce the sidelobes in super-SVA and the non-iterative super-resolution technique by using the subband apodization. The simulation and experimental results show that the subband apodization can reduce additionally the sidelobes in super-SVA and the non-iterative super-resolution technique. 대부분의 이미징 시스템과 마찬가지로, SAR 영상에서의 중요한 두가지 파라메터는 해상도와 부엽들의 크기이다. 가까이 있는 타겟들을 구별하거나, 좀 더 자세한 타켓의 영상을 얻기 위해서는 고해상도의 SAR 영상이 필요하다. 고해상도의 SAR 영상이 있다고 하더라도 부엽들의 크기가 크다면, SAR 영상의 전체적인 노이즈 크기가 커지고, 이로인해 RCS가 작은 타겟들의 경우 큰 RCS를 가지는 타겟의 부엽에 뭍혀서 구별하기가 어려워 진다. 그래서 본 논문에서는 고해상도 SAR 영상의 부엽 제거에 관해 연구하였다. 몇가지의 부엽제거 관해 설명하기에 앞서, SAR 의 간략한 모델과 SAR 신호의 여러 도메인에서의 특성들을 살펴보고, 기본적인 몇가지 SAR 영상 제작 알고리즘에 대해서도 살펴보았다. SAR 영상의 부엽을 줄이기 위한 대표적인 방법은 주파수 도메인에서의 윈도우 (Hamming, Hanning 등)을 사용하는 것이다. 그러나 이런 윈도우의 사용은 주엽의 넓이를 증가시켜 해상도의 손실을 가져온다. 이런 단점을 극복하기 위한 방법으로 Spatially variant apodization (SVA)에 대해서 설명하였다. 이는 주파수 도메인의 윈도우를 일반화 한것으로서, 공간의 위치에 따라 변하는 윈도우를 사용하는 것이다. 일반적으로 고해상도의 SAR 영상을 얻기 위해는 넓은 대역폭을 가지는 시스템이 필요한데 이는 비용의 증가로 이어진다. 제한된 대역폭의 SAR 영상의 해상도를 확장하기 위한 방법으로 Super-SVA에 대해서 설명하였다. Super-SVA는 SVA 와 inverse 필터를 함께 반복적으로 사용함으로써 SAR 영상의 대역폭을 효과적으로 확장할 수 있다. SVA와 Super-SVA의 효과를 보여주기 위해서 AutoSAR와 AVRIS 시스템을 사용한 실험결과들을 제시하였다. 타이밍 지터 (timming jitter)나 비균등 샘플링 (non-uniform sampling), 방위방향의 위치 오차, 첩 비율 (chirp rate) 오차 등의 multiplicative 노이즈들은 SAR 영상의 부엽의 크기를 증가시키고 또한 이미지 전체로 넓게 퍼지게 만든다. 이런 multiplicative 노이즈가 존재하는 상황에서의 SAR 영상의 부엽들을 줄이기 위한 방법으로 Recursive sidelobe minimization (RSM)에 대하여 알아보았다. 기본적으로 RSM은 back-projection SAR 영상 제작 알고리즘을 사용하는 전방 주시 레이다를 위해서 개발되었는데, 이를 range-doppler SAR 영상 제작 알고리즘을 사용하는 일반적인 SAR에 적용할 경우에는 방위방향의 부엽들은 거의 줄어들지 않는다. 이를 보안하기 위해, 본 논문에서는 SAR 데이터에 방위방향으로 결함을 추가함으로써 방위방향의 부엽들도 줄일 수 있도록 RSM을 변경하였고, 시뮬레이션과 AutoSAR 시스템을 사용한 실험을 통해 이의 효과를 살펴보았다. Super-SVA 등의 신호처리로 SAR 영상의 대역폭을 확장하는데는 노이즈와 시스템의 불안정성 등의 이유로 확장의 제한이 있다. 이를 극복하는 하드웨어 적인 방안으로 계단 주파스 시스템 (stepped-frequency system)과 첩 시스템 (chirp system)의 장점을 함께 같는 Synthetic wideband waveform (SWW) 혹은 계단 주파수 첩 시스템 (stepped-frequency chirp system)이 있다. 그러나 SWW는 부엽뿐만 아니라 grating-lobe도 같이 발생한다. 이들 부엽과 graing-lobe를 제거하기 위한 방법으로 비선형 SWW (nonlinear SWW)이 있다. 그러나 비선형 SWW는 복잡한 시스템이 요구되고, 시스템의 각 파라메터를 유연하게 바꾸기가 어렵다. 이의 대안으로 기존의 SWW 시스템과 super-SVA를 사용해서 비선형 SWW를 구현하는 방법에 대해서 설명하였고, 시뮬레이션과 실험으로 이 방법이 효과적으로 부엽과 grating-lobe를 줄일 수 있음을 보였다. 대부분의 신호처리적으로 SAR 영상의 대역폭을 확장하는 방법은 필연적으로 균등 스펙트럼을 반들기 위해서 inverse 필터링이 들어간고, 이는 노이즈의 증가를 야기한다. 이뿐만 아니라 신호처리 과정중에서 발생하는 여러 요인들과 시스템의 불안정성 등으로 인해 부엽을 줄이기 위한 SVA의 효과는 줄어든다. 이런 고해상도 신호처리에서 추가적으로 부엽들을 줄이기 위해서 sub-band apodization을 설명하였다. 대표적으로 super-SVA와 비반복적인 고해상도 방법에 이를 적용함으로 추가적인 부엽들이 줄어들 수 있음을 보였고, 시뮬레이션과 AutoSAR 시스템을 사용한 실험을 통해 이를 확인하였다.

Path Optimization Problems in Modest Rectilinear Environment

김민철 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내박사

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

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

임향택 포항공과대학교 일반대학원 2015 국내박사

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

멀티코어 시스템 설계를 위한 트레이싱 기반 태스크 그래프 추출

한소담 포항공과대학교 일반대학원 2017 국내석사

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

알루미나 나노파이버 구조의 제작 및 젖음특성에 기반한 표면 물성 평가

김영애 포항공과대학교 일반대학원 2016 국내박사

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

Orientation and Defect Control of a Poly(styrene)-block-Poly(isoprene) Thin Film under Solvent Vapor Annealing

이다경 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

Block copolymer (BCP) thin films have been proposed as potential nanotemplate materials for a number of nanotechnology applications such as nanolithography and nanoporous membranes. In order for the self-assembled nanostructure of block copolymers to be utilized in many nanotechnology practices, the manufacturing process of the nanostructure must be simple and fast. In addition, control of the defects and orientation of the microdomains must be possible to obtain a desired nanostructure. Among many microphase development methods, solvent vapor annealing (SVA) has emerged as a powerful technique to manipulate the structure of BCP thin films that include, reducing the defects and controlling the orientation of the microdomains or morphology. Despite the wide spread use of SVA, understanding of the SVA process cannot be said fully established. One of the difficulties in understanding the SVA process is the fact that the morphology of the BCP films are typically characterized after drying from the swollen films.Therefore, the morphology development during the SVA have been monitored during the swelling and deswelling process using the real time X-ray scattering measurement recently. Nonetheless, there are many factors affecting the morphology development such as selectivity of the solvent, swelling ratio of BCP films, annealing time, swelling and deswelling rates, film thickness, humidity, and temperature. Despite a large number of studies on SVA, systematic studies considering the various factors are scarce. Some efforts focusing on a part of the numerous SVA factors often result in conflicting conclusions. In this dissertation study, a SVA chamber is developed that allows rapid swelling of BCP films to a desired swelling ratio and real time grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) measurement. With the device, a systematic study on the effects of the swelling ratio, selectivity of the solvent, and annealing time was carried out to elucidate the SVA process of BCP films. This study is expected to leads to a more general scheme of a SVA process for better oriented BCP nanostructures. In chapter 1, the general background on self-assembly of BCP and microphase development methods for the nano-patterns is described. In addition, phase behavior of block copolymer upon SVA is briefly reviewed. In chapter 2, a low pressure SVA chamber used in this study is described. The SVA chamber can make BCP films reach an equilibrium swelling ratio in a few minutes and allows in situ GISAXS measurements under the controlled swelling ratio of the films. The fast swelling of BCP films to a stable swelling ratio not only saves experimental time but also makes it possible to decouple the effects of swelling ratio and annealing time in the SVA process. In chapter 3, the microphase development process in polystyrene-b-polyisoprene films showing cylinder morphology was investigated to elucidate the orientation mechanism during the SVA process. For the purpose, we examined the effects of swelling ratio of the film, annealing time and selectivity of the solvent as well as molecular weight and composition of the block copolymers on the orientation of the nanostructure using GISAXS and transmission electron microscopy. In general, the orientation of the cylinders proceeds from disordered state in a spin-coated film to horizontally oriented cylinder phase via vertically oriented cylinder phase. The rate of the orientation change is strongly affected by the SVA condition as well as the nature of the block copolymers. The orientation change rate is faster for lower molecular weight block copolymers under a more neutral solvent and at a higher swelling ratio. Therefore, the mobility of the block copolymer chains appears to dictate the orientation change rate while the general orientation behavior remains the same regardless of the SVA condition and the nature of the block copolymers. 블록공중합체 박막은 나노 리소그래피 및 나노 다공성 막과 같은 다수의 나노 기술 응용을 위한 잠재적인 나노 템플릿 물질로서 제안되어왔다. 블록 공중 합체의 자체 조립된 나노 구조가 많은 나노 기술 실무에 이용되기 위해서는 나노 구조의 제조 공정이 간단하고 빨라야 한다. 또한, 원하는 나노 구조를 얻기 위해 마이크로 도메인의 결함 및 배향의 제어가 가능해야한다. 많은 미세상 개발 방법 중에서, 용매 증기 어닐링(SVA)은 결함을 감소시키고, 마이크로 도메인 또는 형태의 배향을 제어하는 것을 포함하는 BCP박막의 구조를 조작하는 강력한 기술로서 등장 하였다. SVA 의 광범위한 사용에도 불구하고, SVA 프로세스에 대한 이해가 완전히 확립 되지는 않았다. SVA 공정을 이해하는데 어려움 중 하나는 BCP 필름의 형태가 일반적으로 팽윤된 필름이 건조 된 후에 특성화된다는 사실이다. 따라서, 최근 실시간 X-선 산란 측정을 사용하여 팽창 및 팽창 제거 과정에서 SVA 동안의 형태 개발 이 모니터링 되고있다. 그럼에도 불구하고, 용매의 선택성, BCP 필름의 팽창율, 어닐링 시간, 건조 속도 필름의 두께, 습도 및 온도와 같은 형태 발달에 영향을 미치는 많은 요인이 있다. SVA 에 대한 많은 연구에도 불구하고 다양한 요소를 고려한 체계적인 연구는 드물다. 수많은 SVA 요인 중 일부 영향에 중점을 둔 노력은 종종 상반되는 결론을 초래한다 . 이 논문 연구에서, BCP 필름을 원하는 팽창비로 빠르게 팽창시키고, 실시간 스침각 X-선 산란(GISAXS) 측정이 가능한 SVA 챔버가 개발되었다. 이 장치를 사용하여 BCP 필름의 SVA 공정을 설명하기 위해 팽창률, 용매의 선택성 및 어닐링 시간의 영향에 대한 체계적인 연구가 수행되었다. 이 연구는 보다 잘 제어된 배향의 BCP 나노 구조를 위한 SVA 공정의 일반적인 지침을 제시할 것으로 기대된다. 1장에서는 나노 패턴에 대한 BCP 자기조립 및 미세상 개발 방법에 대한 일반적인 배경을 설명한다. 또한, SVA하에서 블록공중합체의 상 거동을 간단히 검토한다. 2장에서는 이 연구에 사용된 저압 SVA챔버에 대해 설명한다. SVA 챔버는 BCP 필름이 몇 분 안에 평형 팽창 비율에 도달하도록 하고, 필름의 제어된 팽창비에서 현장 GISAXS 측정을 허용한다. 안정적인 팽창비로 BCP 필름의 빠른 챙창은 실험 시간을 절약할 뿐만 아니라 SVA 공정에서 팽창비와 어닐링 시간의 효과를 분리 할 수 있다. 3장에서, 실린더 형태를 나타내는 폴리(스타렌)-블록-폴리(이소프렌) 필름의 미세상 현상 공정을 조사하여 SVA 공정 동안 배향 메커니즘을 설명하였다. 이를 위해, GISAXS 및 투과 전자 현미경을 사용하여 나노 구조의 배향에 대한 필름의 팽창비, 어닐링 시간 및 용매의 선택성, 뿐만 아니라 블록 공중 합체의 분자량 및 조성의 영향을 조사하였다. 일반적으로, 실린더의 배향은 스핀 코팅된 필름의 무질서 상태로 부터 수직 배향 실린더 상을 통해 수평 배향 실린더 상으로 진행된다. 배향 변화 속도는 SVA 조건 및 블록 공중합체의 성질에 의해 크게 영향을 받는다. 배향 변화 속도는 보다 중성인 용매 하에서 더 높은 팽창비에서 저 분자량 블록 공중합체에 대해 더 빠르다. 따라서, 일반적인 배향 거동은 SVA 조건 및 블록 공중합체의 성질에 관계없이 동일하게 유지되지만, 블록 공중합체 사슬의 이동성은 배향 변화 속도를 지시하는 것으로 보인다.

Predicting PTSD-like phenotype based on fear response in stress susceptibility: A rodent model

정민재 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

본 연구의 목적은 쥐의 행동실험 데이터를 통해, 스트레스에 취약하여 외상후 스트레스 장애 (PTSD) 증상이 나타날 확률이 높은 쥐와 스트레스에 저항성이 있어 PTSD 증상이 나타나지 않는 쥐를 예측하여 구분할 수 있는 통계적 모델을 제시하는 것이다. PTSD는 트라우마적 스트레스로 인한 정신질환의 일종이다. PTSD의 가장 대표적인 증상은 트라우마적 사건에 대한 기억과 당시 느꼈던 공포 감정이 계속해서 되살아난다는 것이다 (공포기억 소멸 억제 현상). 그리고 주변에 대한 경계심이 높아지고 사건과 연관이 없는 자극에 대해서도 공포반응을 보이기도 한다 (공포일반화 현상). 또한 사람들이 살아가면서 대부분 한 번 이상의 트라우마적 사건을 겪지만, 그 중 7-30%만이 PTSD 증상이 나타난다는 특이점이 있다. 쥐를 이용하여 PTSD 연구를 할 때 공포기억 소멸 실험과 공포일반화 실험을 많이 사용한다. 특히 공포실험 전 쥐에게 스트레스를 주면 공포기억 소멸이 억제되는데 이를 stress-enhanced fear learning (SEFL) 모델이라 한다. 본 연구는 이 SEFL 모델을 변형하여 다음과 같은 연구를 수행하였다. SEFL을 다음과 같이 변형하여 총 105마리의 쥐로 행동실험을 하였다 (stress 그룹 79마리, unstress 대조군 26마리). 쥐에게 트라우마적 스트레스를 준 다음 1주일 후에 불안 정도를 측정할 때 이용되는 elevated plus maze (EPM)를 하였고, 이어서 소리 (CS)와 footshock (US)간의 연관 기억을 학습하는 공포조건화 실험을 진행하였다. 공포일반화 실험과 공포기억 소멸 실험을 이어서 수행하여, 한 쥐에서 공포일반화 정도와 공포기억 소멸 정도를 모두 측정하였고, 이를 스트레스에 취약한 (susceptible) 그룹과 스트레스에 저항성 있는 (resilient) 그룹으로 나누는 기준으로 사용하였다. 잘 알려진대로 스트레스를 받은 쥐들은 스트레스를 받지 않은 대조군 쥐들에 비해 평균적으로 높은 공포 반응과 높은 불안증세를 보였다. 다음으로 스트레스 받은 쥐들을 susceptible 쥐와 resilient 쥐로 나누었다. 비지도형 기계 학습의 일종인 K-means clustering을 사용하여 공포일반화 실험 데이터와 공포기억 소멸 실험 데이터를 각각 2개의 cluster로 나누었고, 두 파라미터가 모두 높은 쥐들을 susceptible, 모두 낮은 쥐들을 resilient로 정의하였다. Resilient 그룹은 스트레스를 받지 않은 unstress 대조군 그룹과 유사한 행동을 보임을 알 수 있었다. 그러나 susceptible, resilient 그룹을 나누고 보니, 예상과 다르게도 세 그룹의 공포학습 속도가 비슷하고, 불안을 보이는 정도도 유사하였다. 이에 따라 공포학습 동안 세 그룹이 정말 행동적으로 차이가 없는지 알아보기 위해 CS 전후 60초 동안의 행동을 분석하였다. 그 결과 CS가 없는 동안 susceptible 그룹이 다른 그룹에 비해 높은 공포 반응을 보인다는 것을 알 수 있었다. 따라서 CS가 없는 동안에 나타나는 공포반응 데이터를 이용하여 susceptible과 resilient 그룹을 통계적으로 예측할 수 있는 모델을 만들었다. 먼저 susceptible과 resilient 그룹의 데이터의 평균과 표준편차를 이용해서 확률적 분포를 만들고, 임의의 데이터 α가 주어졌을 때 α가 susceptible에 속할지, resilient 그룹에 속할지 다음과 같은 식으로 점수화하였다. S(α) = P(Nresilient < α) - P(Nsusceptible > α) = P(Nresilient < α) + P(Nsusceptible < α) - 1 간단히 설명하자면, 점수 S(α)는 resilient 그룹 데이터가 임의의 데이터 값 α보다 작을 확률에서 susceptible 그룹 데이터가 값 α보다 클 확률을 뺀 값이다. Susceptible 그룹 데이터의 평균이 항상 resilient 그룹 데이터 평균보다 크므로, S(α)가 0보다 크면 데이터 α가 susceptible 그룹에 속할 확률이 크고, S(α)가 0보다 작으면 데이터 α가 resilient 그룹에 속할 확률이 크다는 뜻이다. 이와 같은 계산을 통해 공포학습 데이터를 이용하여 PTSD의 대표적 증상인 공포일반화와 공포기억 소멸 억제를 예측하는 확률적 모형을 제시하였고, 이 모형을 토대로 다시 분류하였을 때 K-means clustering으로 나누었던 결과와 유사하다는 것을 ROC curve를 통해 확인하였다. 위 통계적 모델로 얻은 예측된 susceptible 그룹의 AUC 값은 0.7950이고, 에측된 resilient 그룹의 AUC 값은 0.7067이다. 이를 통해 통계적으로 유의미하게 그룹 예측이 잘 된다는 것을 검증하였다. Although most individuals experience traumatic stress in their life, only a small population develops mental disorders such as posttraumatic stress disorder (PTSD) or anxiety disorders. Studies indicate that stress susceptibility is one of the determinants causing mental disorder. However, the underlying mechanism it is unknown due to the lack of an appropriate animal model. In this study, the freezing level during inter-trial interval (ITI) period of fear conditioning has been shown to predict stress susceptibility characterized by PTSD-like symptoms. An animal model based on stress-enhanced fear learning (SEFL) paradigm with inbred C57BL/6 mice has been established to induce PTSD-like symptoms of generalized fear and impaired extinction learning. Classification based on two PTSD-like symptoms suggests that stress-susceptible mice showing PTSD-like symptoms also develop higher ITI freezing behavior during fear conditioning session, while stress-resilient mice present a similar level of ITI freezing, compared with non-stressed mice. Interestingly, the level of ITI freezing behavior is highly correlated with the development of PTSD-like symptoms. A high degree of ITI freezing, in particular, shows generalized fear and impaired extinction memory, which indicates that development of PTSD-like symptoms can be predicted based on the ITI freezing level during fear learning. Taken together, our data demonstrate that this specific phenotype during fear learning can be used to analyze stress susceptibility and predict the development of PTSD.