Graphene based Nanocomposites for Effective Visible Light-induced Photoelectrochemical and Photocatalytic Applications

Mohammad Ehtisham Khan 영남대학교 대학원 2017 국내박사

효과적인 가시광선 유도 광전기화학 및 광촉매 응용을 위한 그래핀 기반 나노복합체 모하마드에티샴칸 영남대학교 대학원 화학공학과 지도교수: 조무환 교수, 이진태 교수 초 록 최근 몇 년 동안 에너지 및 환경 관련 유해에 대한 떠오르는 위험성이 태양에너지 이용에 대한 광범위한 연구를 촉진했다. 염료는 다양한 분야에서 광범위하게 사용되지만 물에 배출되면 환경 오염의 원인이 될 수 있다. 또한 대부분의 염료는 독성, 발암성이 있고 유해하므로 인간 및 동물의 건강에 악영향을 미친다. 염료는 텍스타일, 플라스틱, 고무, 종이, 콘크리트 및 의학을 포함한 여러 산업분야에서 섬유산업을 주요 사용자로 사용하여 상당한 응용 분야를 갖는다. 비균질 광촉매 반응은 적절한 파장의 빛으로 조사된 반도체 촉매 (예 : WO3, CeO2, CdS 및 ZnS)를 사용하여 유기물의 불순물 및 오염 물질의 광물화를 위해 고도의 반응성 산소화학종 (예 : ˚OH, ˚-O2 및 H2O2)을 생성한다. 따라서, 개선된 광촉매 및 광전기 화학 성능을 갖는 그래핀 기반 나노복합체의 합성을 위한 용이하고 친환경적이며 환경 친화적인 전략을 개발하는데 상당한 관심과 중요성이 있다. 이 연구는 높은 전하 재조합 비율로 인하여 일사량의 5% 미만의 효과 밖에 가지지 않는 가시광선에서 순수 Au 및 Ag의 기능성을 증진시키기 위하여 금속 금 및 은 나노 입자 (Au 및 Ag NP)를 현저하게 환원시키는 전기화학적 활성 생물막 (EABs)을 사용하는 생물학적 기술 개발을 목표로 한다. 또한 그래핀 시트는 높은 전도성 기판 및 전하 재조합 속도를 감소 시키는데 도움이 되는 전자 포획 능력으로 사용된다. EAB를 사용하는 단순하고 환경 친화적인 접근법은 계면 활성제 또는 캡핑제를 사용하지 않고 금-그래핀 (Au-G) 및 은-그래핀 (Ag-G) 나노복합체를 합성하는 데 유용했으며 그 결과는 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 및 그래핀의 특이 전자 효과의 상승작용은 광촉매 및 전기화학 장치의 개발에 큰 도움이 된다. 나노 구조의 크기와 모양을 제어된 형태로 200 ˚C에서 템플리트가 없고 계면활성제가 없는 수열 공정을 사용하는 WO3 나노막대-그래핀 나노 구조의 제조가 수행되었다. 견고한 나노복합체 구조, 우수한 전도성, 넓은 표면적 및 우수한 유연성을 가진 WO3 나노막대-그래핀 나노 구조는 광 캐패시티브 (photocapacitive) 및 광촉매 염료 분해 응용과 같은 향상된 성능을 담당하는 것으로 보인다. 카드뮴 황화물 나노입자-그래핀 나노복합체 (CdS-Graphene)는 CdS 나노입자가 그래핀 시트 위에 고정/장식 된 간단한 방법으로 제조되었다. CdS-Graphene 나노복합체의 광촉매 및 광전기화학 성능이 크게 향상 된 것은 CdS 나노입자 및 그래핀 시트의 향상된 광 흡수 거동 및 높은 전기 전도성의 상승 효과에 기인한 것으로, 이는 재결합 속도를 감소시킴으로써 전하 분리를 촉진하고 광생성 된 전자-홀 쌍의 수명을 연장시킨다. 합성된 좁은 밴드갭 CdS-Graphene 나노복합체는 가시광선에 의한 광촉매 및 광전기화학 기반의 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있다. 최적화된 전자빔 조사 (60kGy 및 90kGy)는 광학 및 구조 특성에 의지하는 광전기화학적 성능을 위하여 따라 그래핀 나노 판의 결함 관련 기술에 사용된다. 제안된 방법은 향상된 광전기화학 성능을 위해 전자빔 조사를 사용하여 원래의 그래핀 나노 플레이트의 특성 (광학, 분광 및 광 전기 화학)을 미세 조정하는 신뢰할 수 있는 방법이다. 세륨 산화물 나노입자는 손쉬운 저비용 열수반응을 이용하여 그래핀 시트 위에 가공되고 성장되었다. 그러므로 Ce3+-이온, 표면 산소 결손 및 결함 유발 거동은 CeO2 나노입자와 그래핀 시트 사이의 빠른 전하 이동으로 인한 광생성 전자-정공 쌍의 재결합 억제에 기여한다. 이 발견은 CeO2-Graphene 나노 구조가 실제 응용에 사용될 수 있는 향상된 광촉매 및 광캐패시턴스 성능을 나타냄을 보여준다. 키워드: 그래핀 시트, 결함이 있는 그래핀, 금, 은, WO3, CdS, CeO2, 전기화학적 활성 생물막, 광촉매 분해, 광캐패시턴스, 광전기화학. 모하마드에티샴칸 2017 년 6 월 Graphene based Nanocomposites for Effective Visible Light-Induced Photoelectrochemical and Photocatalytic Applications Mohammad Ehtisham Khan Graduate School of Yeungnam University Major in Chemical Engineering Advisors: Prof. Moo Hwan Cho and Prof. Jintae Lee ABSTRACT In recent years, emergent alarms about energy and environment related harms have stimulated widespread research on solar energy utilization. Dyes are used widely in a range of fields, but their discharge into water can be a reason for environmental pollution. In addition, most of the dyes are toxic, carcinogenic and harmful, resulting in adverse impacts on human and animal health. Dyes find considerable applications in several industries, including textile, plastic, rubber, paper, concrete, and medicine with the textile industry as the main user. Heterogeneous photocatalysis involves the utilization of a semiconductor catalyst (such as, WO3, CeO2, CdS and ZnS,) irradiated with light of an appropriate wavelength to generate highly reactive transitory oxidative species (i.e. ˚OH, ˚O2-, and HO2) for the mineralization of organic impurities and pollutants. Accordingly, there has been considerable interest and significance in developing a facile, green and environment-friendly strategy for the synthesis of graphene based nanocomposites with improved photocatalytic and photoelectrochemical performance. This work aims towards biogenic developments of significant reduction of metal gold and silver nanoparticles (Au and Ag NPs) using electrochemically active biofilms (EABs), since the functionality for pure Au and Ag can be excited in visible light that only accounts for less than 5% of solar irradiance because of the high charge recombination rate, as well as graphene sheets is used as a highly conducting substrate and electron capture ability which was helpful to reduce the charge recombination rate. Simplistic and environmentally friendly approach using EABs was utilize for the synthesis of an Au–Graphene (Au–G) and Ag-Graphene (Ag-G) nanocomposites without the use of surfactants or any capping agents and further results shows the synergistic effects of the surface plasmonic resonance of metal NPs and the specific electronics effect of graphene holds great promise for the development of photocatalysts and electrochemical devices. The fabrication of WO3 nanorods-Graphene nanostructure using a template-free and surfactant-less hydrothermal process at 200 ˚C for controlled formation of size and shape of nanostructures. The robust nanocomposite structure, better conductivity, large surface area, and good flexibility of the WO3 nanorods–graphene nanostructure appears to be responsible for the enhanced performances such as, photocapacitive and photocatalytic dye degradation applications. The cadmium sulphide nanoparticles (CdS NPs) graphene nanocomposite (CdS-Graphene), prepared by a simple method, in which CdS NPs were decorated successfully onto graphene sheets. The significantly enhanced photocatalytic and photoelectrochemical performance of the CdS-Graphene nanocomposite was attributed to the synergistic effects of the enhanced light absorption behaviour and high electron conductivity of the CdS NPs and graphene sheets, which facilitates charge separation and lengthens the lifetime of photogenerated electron–hole pairs by reducing the recombination rate. The as-synthesized narrow band gap CdS-Graphene nanocomposite can be used for wide range of visible light-induced photocatalytic and photoelectrochemical based applications. The optimized electron beam irradiation (60 kGy and 90 kGy) approach for defects-related engineering of graphene nano-platelets for optical and structural properties dependent photoelectrochemical performances. Proposed method is a reliable way of fine-tuning the properties (optical, spectroscopic and photoelectrochemical) of pristine graphene nanoplatelets using electron beam irradiation for enhanced photoelectrochemical performance. The Cerium oxide nanoparticles (CeO2 NPs) were fabricated and grown on graphene sheets using a facile, low cost hydrothermal approach. Therefore, the Ce3+-ion, surface-oxygen-vacancies, and defects-induced behavior can be attributed to the suppression of the recombination of photo-generated electron–hole pairs due to the rapid charge transfer between the CeO2 NPs and graphene sheets. These findings displays the CeO2-Graphene nanostructures revealed enhanced photocatalytic and photocapacitive performance that could be used for real applications. Keywords: Graphene sheets, defected graphene, gold, silver, WO3, CdS, CeO2, electrochemically active biofilms, photocatalytic degradation, photocapacitance, photoelectrochemical. Mohammad Ehtisham Khan August 2017

Hybrid-silica based biomimetic novel polyethersulfone (PES) membranes for robust anti-fouling and anti-wetting performance in direct contact membrane distillation (DCMD)

Khan, Aftab Ahmad 한양대학교 대학원 2021 국내박사

ABSTRACT Hybrid-silica based biomimetic novel polyethersulfone (PES) membranes for robust anti-fouling and anti-wetting performance in direct contact membrane distillation (DCMD) Aftab Ahmad Khan Department of Civil and Environmental Engineering Graduate school of Hanyang University Direct contact membrane distillation (DCMD) is a promising alternate technology for the treatment of highly saline, organic, seawater, oily wastewater, and industrial wastewater with theoretically 100% rejection. Nevertheless, its hindered to commercialize in large scale due to the fouling and wetting issue during operation. To counter the issue, preparing the MD membranes with anti–fouling and anti–wetting properties are inevitable. The rougher top surfaces and low surface energy robust membranes with no severe fouling and wetting, are highly recommended for the competent rejection of hyper saline organic solutions through membrane distillation (MD). Regarding this chapter 4 enlightens a hybrid organic-inorganic functionalized polyethersulfone (PES) membrane preparation for treating hyper-saline feed solutions containing humic acid (HA) foulant. The membrane modification was carried out by dip-coating with silica nanoparticles, followed by vacuum filtration coating with 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl triethoxysilane and polydimethylsiloxane. The PDMS-FAS/SiNPs membrane performance was respectively better from that of commercial polypropylene (PP) and polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes. In the DCMD of a feed solution of 1 M NaCl and 10 mg L-1 HA, the flux of the PDMS-FAS/SiNPs membrane remained consistent (17 LMH), with a permeate conductivity of 33.96 µS cm-1. In Chapter 5, a robust anti-wetting and anti-fouling PES membrane for the rejection of a highly saline (NaCl and CaCl2·2H2O) feed solution containing humic acid (HA) in DCMD. Response surface methodology (RSM) was used to determine the optimum formulation of the used materials. The variable factors selected were polydimethyl siloxane (PDMS) and silica (SiO2); liquid entry pressure (LEP) and contact angle (CA) were selected as responses. The optimum PES-13 membrane exhibited consistent flux of 12 LMH and salt rejection (> 99%) with anti-fouling characteristic in DCMD using the feed solution of 3.5 wt% NaCl+10mM CaCl2·2H2O +10mgL−1 HA. Our third research in Chapter 6 describes the preparation of an anti–oil-fouling polyethersulfone membrane using fluorinated silica nanoparticles (F-SiO2@PES) combined with perfluorodecyl triethoxysilane and polydimethylsiloxane for application against oil/water emulsions. Feed solutions consist of different concentrations of oil (hexadecane), different charge surfactants (anionic sodium dodecyl benzenesulfonate, non-ionic Tween 20, and cationic hexadecyltrimethylammonium bromide, and salt (NaCl). No severe fouling was observed during DCMD process regardless of surfactant charge and the concentration of components. The study in the chapter 7, was accomplished with the membrane similar to the previous study (omniphobic membrane). The modified PES membrane (PES-M) wetting and fouling resistance competence was assessed using two hypersaline feed solutions i.e., (I) multiple salts [2000 mg L-1 (CaSO4 + CaCO3 + CaCl2 . 2H2O + NaCl)] + 20 mg L-1 HA feed (MSHA-F) and (II) Busan seawater feed (BSW-F) in DCMD. The PES-M membrane exhibited the robust performance against both feeds especially with MSHA-F for 150 h long operation giving only 20% flux loss, and 68.8 μS/cm conductivity at the end. PES-M membrane is resilient candidate to resist fouling and wetting and suggested to adopt for the desalination of highly saline and complex feed solutions.

Dual-Buck Power Converters with Enhanced System Reliability and Efficiency : 고 신뢰성, 고효율 듀얼 벅 파워 컨버터

Khan, Ashraf Ali 경북대학교 대학원 2018 국내박사

고 신뢰성, 고효율 듀얼 벅 파워 컨버터 아쉬라프 알리 칸 경북대학교 건설 환경 에너지 공학부환경 에너지 공학 전공 (지도교수: 차헌녕) (초록) 기존의 양방향 컨버터의 대부분은 안정성에 문제가 되는 슛-쓰루 (shoot-through) 위험성을 가지고 있다. 슛-쓰루 (shoot-through) 문제를 피하고 안정성을 높이기 위해 데드 타임이 게이트 신호 사이에 삽입된다. 하지만 데드 타임은 전압 이득을 줄이고 효율을 감소 시켜 컨버터의 성능을 떨어트린다. 또한 이는 제어 능력을 떨어트리고 출력 파형을 왜곡 시키며 스위칭 주파수를 제한한다. 전력 변환기는 일반적으로 MOSFET과 IGBT를 스위치 소자로 사용한다. MOSFET은 IGBT보다 빠른 스위칭, 낮은 스위칭 손실 및 전압 강하 특징을 갖는다. 이러한 특징 때문에 MOSGET은 고주파 스위칭이 필요한 전력 변환기에 적합하다. 고주파 스위칭은 전력변환기의 수동 부품 양을 줄이고 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나 하드 스위칭하거나 버스 전압이 높은 경우 MOSFET의 바디 다이오드는 역 회복 문제를 갖는다. 따라서 버스 전압이 높은 상태에서 하드 스위칭을 하는 기존의 컨버터는 일반적으로 MOSFET을 스위치 소자로 쓰는 것을 권장하지 않는다. 본 논문은 듀얼 벅 컨버터 라 불리는 하드 스위칭 컨버터를 제안한다. 이는 슛-쓰루 (shoot-through) 위험성을 제거하여 높은 신뢰성을 달성하고 MOSFET 바디 다이오드의 역 회복 문제를 제거하여 효율을 향상시켰다. 넓은 범위의 입력 전압을 가진 채 출력 AC 전압을 조절하기 위해서는 벅-부스트 전력 시스템이 필요하다. 본 논문은 1단 2-레벨 벅-부스트 인버터를 제안한다. 제안한 인버터는 슛-쓰루 (shoot-through) 문제가 없어 시스템 신뢰성이 향상되었으며 파워 MOSFET을 사용하여 효율을 높였다. 광범위한 전압이득 구간을 가지고 있으며 출력 AC 파형을 왜곡 없이 얻을 수 있기 때문에 게이트 신호의 데드 타임을 없앨 수 있다. 제안한 1단 벅-부스트 인버터의 효율과 안정성을 더욱 향상시키기 위해 저주파와 고주파 변조를 결합한 PWM 이 본 논문에서 제안된다. 고전압 민 고전력dc-ac 전력 변환에서 2-레벨 인버터는 잘 사용되지 않는다. 고전압 및 고전력 전력변환을 위해 다중 레벨 인버터가 대안으로 발전해왔다. 본 논문은 새로운 방식의 캐스케이드 및 중앙 포인트 클램핑 멀티 레벨 인버터를 제안한다. 이는 왜곡이 적은 출력 AC 전압을 생성 할 수 있다. 또한 제안한 멀티 레벨 인버터는 저전압 정격을 가진 소자로 높은 출력 AC 전압을 얻을 수 있으며 스위칭 주파수를 줄일 수 있다. 게다가 이 또한 슛-스루 (shoot-through)와 MOSFET바디 다이오드의 역 회복 문제가 없다. 일반적으로 인버터는 DC-AC 전력 변환에 사용되며 AC-AC 컨버터는 AC-AC 전력 변환에 사용된다. 전통적인 AC-AC 컨버터는 정류 문제를 가지고 있어 실제로 어플리케이션에 적용하기가 어렵다. 본 논문은 새로운 유형의 2단 단상, 3 상 및 다단 계단식 AC-AC 컨버터를 제안한다. 이들은 슛-스루와 데드 타임 관련 문제가 없다. 또한 RC 스너버를 사용하거나 소프트 정류 방법을 이용하는 전통적인 방법을 하지 않아도 안전한 정류를 할 수 있다. 게다가 이들은 출력전압 왜곡이 거의 없으며, 바디 다이오드의 역 회복 문제 또한 없기 때문에 파워 MOSFET을 사용하여 높은 효율을 가질 수 있다. 고전압 AC-AC 전력 변환을 위해, 위상 변환 제어를 하는 새로운 계단식 AC-AC 전력 변환기가 본 논문에 소개된다. 이는 저전압 정격 반도체 소자를 사용하여 고출력 AC 전압을 생성 할 수 있다. 위상 변환 제어는 컨버터의 스위칭 주파수를 캐스케이드 단위만큼 증가시킨다. 본 논문은 제안한 컨버터의 스위칭 전략과 상세한 이론 분석 및 설계 지침을 설명한다. 제안한 회로의 특징을 확인하기 위해 다양한 시제품이 제작되고 테스트되었다. Abstract Dual-Buck Power Converters with Enhanced System Reliability and Efficiency By Ashraf Ali Khan Most of the conventional bidirectional converters have shoot-through risk, which is a major reliability issue. To avoid the shoot-through, finite dead-time is inserted between the switches. The dead-time guarantees safe operation. However, it adversely affects the performance of the converter. The dead-time reduces the voltage gain, reduces efficiency, decreases controllability, distorts the output waveforms, and limits the switching frequencies. In power converters, MOSFET and IGBT are commonly used as switching devices. In comparison with IGBT, MOSFET has fast switching, low switching loss and resistive conduction voltage drop. These features make MOSFET attractive in power converters for high frequency switching to reduce the volume of passive components by increasing switching frequency and to improve efficiency. However, the body diode of MOSFET has poor reverse recovery characteristics which cause reverse recovery issues during hard switching and when the bus voltage is high. Therefore, in the conventional hard switching converters at high bus voltage, MOSFETs are normally not recommended for switching. In this thesis hard switching converters called dual-buck converters are proposed to attain high reliability by eliminating shoot-through risk, and improve efficiency by utilizing MOSFETs without reverse recovery issues of their body diodes. A buck-boost power conditioning system is required to regulate the output ac voltage for wide range input dc voltage variation. This dissertation proposes single-stage two-level buck-boost inverters. Compared to the conventional single-stage buck-boost inverters, the proposed inverters have enhanced system reliability due to no shoot-through issues, and can increase the efficiency by using power MOSFETs. They can eliminate the dead-time in gate signals, owing to which the obtainable voltage gain can be reached and the output ac waveforms can be obtained with less distortion. To further improve the efficiency and stability of the proposed single-stage buck-boost inverters, PWM strategies combining the low and high frequency modulations are proposed. In high-voltage and high dc-ac power conversion, the two-level inverters can be hardly used. For this purpose, multilevel inverters have evolved as a viable solution. This dissertation proposes new type of cascaded and neutral point clamped multilevel inverters. They can generate an output ac voltage with low distortion. In addition, a high output ac voltage can be obtained with standard low voltage rating devices. Furthermore, they can reduce the switching frequencies. Besides, the proposed multilevel inverters have no shoot-through issues and can utilize power MOSEFTs without reverse recovery issues of their body diodes. Inverters are normally used for dc-ac power conversion, and ac-ac converters are used for ac-ac power conversion. The direct ac-ac converters are used for applications that require only voltage or power regulation. The traditional direct ac-ac converters have commutation problem which limits their practical implementation. This dissertation proposes new type two-level single-phase, three-phase and multilevel cascaded direct ac-ac converters. They have no shoot-through and dead-time related problems, and they can achieve safe commutation without employing the traditional techniques of using RC snubbers and employing soft commutation strategies. Further, they produce output voltages with extremely low distortion, and they can attain high efficiency by utilizing power MOSFETs without reverse recovery issues of their body diodes. To work with high voltage and high ac-ac power conversion, new type cascaded ac-ac power converters with phase-shift control are proposed in this dissertation. It can generate a high output ac voltage using standard low voltage rating semiconductor devices. The phase shift control increases the switching frequency of the converter by the number of cascaded units. The switching strategies for the proposed converters are developed, and detailed theoretical analysis and design guidelines of the proposed topologies are presented. To verify the performance and effectiveness of the proposed topologies, various laboratory prototypes are fabricated and tested.

Beam Training and Tracking Techniques for Millimeter-Wave Cellular Communications

Khan, Mohammed Saquib 중앙대학교 대학원 2020 국내박사

Khan Mohammed Saquib Major in Communication and Signal Processing, Department of Electrical & Electronic Engineering, The Graduate School, Chung-Ang University This dissertation develops several beam training and beam tracking schemes and algorithms during the initial access and positioning in millimeter-wave (mmWave) cellular systems. Considering both analog (for random access) and hybrid (for cell selection) beamformings, beam training algorithms with multiple beam transmission are developed considering in order to reduce the processing time and complexity. In addition, novel sequences or preambles are designed to support the multi-beam transmission with minimal interference. Moreover, random access and positioning sequences are proposed for high-velocity users to have robustness against high Doppler. In mmWave cellular communication systems with beamforming, the overall duration of directional random access (DRA) is very long since the preambles need to be transmitted over all directions of Tx and Rx beams. First, two different types of DRA preambles (DRAPs; TYPE-1 and TYPE-2) are proposed for mmWave cellular systems with multiple antenna arrays to reduce the DRA duration. The properties of the DRAPs such as the constant amplitude, correlation, false-alarm probability, and detection probability are analyzed for DRA in a multi-user environment. It is shown that the TYPE-2 DRAP is well-suited for DRA in mmWave cellular systems with directional beams because of its high detection probability, reasonably low complexity, and shorter processing time compared to the conventional technique, in a multi-user environment. Second, a cell selection technique considering hybrid beamforming during the initial access for mmWave cellular system is proposed. For serving cell selection, it is necessary to estimate the angles-of-arrivals (AoAs) and departures (AoDs) of all candidate cells in the initialization phase, which requires a substantial processing time. In order to perform multi-beam transmission simultaneously in a multi-cell environment, a cell and beam synchronization signal (CBSS) is proposed to map beam IDs (BIDs) along with the cell IDs (CIDs). The estimated channel information and the optimal precoder are used to select the serving cell that maximizes the channel capacity of the hybrid beamformer. Further, a simple mmWave model with spatial channel model (SCM) is used to evaluate the performance of the proposed technique. Simulation results show that the proposed technology with CBSS reduces the processing time significantly for channel estimation as compared to traditional techniques and can obtain additional gains in terms of channel capacity or bit error rate (BER). Third, a RAP design technique for high-velocity users (HVUs) considering high Doppler effect in mmWave cellular systems is proposed. Here, the conventional long-term evolution (LTE)-based RAP is shown to be inefficient under the influence of Doppler shift and a new RAP based on linear-frequency-modulation (LFM RAP) is proposed for the detection of HVUs in mmWave systems. To examine the characteristics of the RAPs (LTE and LFM) affected by high Doppler of the HVUs, the correlation function of LTE-based RAP as well as the ambiguity iand iextended-ambiguity ifunctions iof iLFM iRAP iare ianalyzed. The false alarm and detection probabilities of RAPs are evaluated in a high Doppler and multiuser environment. As the simulation results show, with high detection probability in high-speed and multi-user environments, LFM RAP seems to be suitable for HVU in mmWave cellular systems. Future 5G New Radio (NR) consider positioning an integral part of the cellular systems to provide high accuracy with mmWave. While the 5G standard for ipositioning ihas inot been ifully idefined, ithe ipositioning ireference isignal i(PRS) iused iin LTE is being considered. Since the conventional LTE PRS is designed for LTE systems below 6 GHz, it is more sensitive and inefficient for HVUs experiencing a high Doppler effect in mmWave cellular systems. Finally, a inew isequence, icalled ian ioscillatory ipulse isequence i(OPS), iis proposed ifor ithe ipositioning iof HVUs in mmWave cellular systems. To examine the properties of autocorrelation and cross-correlation under the effect of Doppler shift, the AF and cross-AF of OPS are analyzed. With the simulations results, it is shown that OPS estimate timing (distance) accurately under the effect of high Doppler shift, fulfilling the ideal characteristic of the AF (a “line”) for positioning. As it is easy to multiplex with other frequency domain signals, OPS is particularly suitable for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems. 칸 모함메드 사킵 통신 및 신호처리전공, 전자전기공학과, 중앙대학교 대학원 이 논문에서는 밀리미터파 (mmWave) 셀룰러 시스템의 초기 접속과 포지셔닝 분야에서 빔 트레이닝과 빔 트래킹 기법 및 알고리즘을 개발한다. 아날로그 빔포밍과 하이브리드 빔포밍을 고려할 때, 처리 시간과 복잡도를 줄이기 위한 다중 빔 송신에서의 빔 트레이닝 알고리즘이 개발되었다. 게다가, 다중 빔 송신에서의 간섭을 최소화하기 위해 새로운 시퀀스 또는 프리앰블이 설계되었다. 더 나아가, 높은 속도를 갖는 유저들을 위해 높은 도플러에 강한 랜덤 액세스와 포지셔닝 시퀀스들이 제안되었다. 빔포밍을 가정한 mmWave 셀룰러 통신 시스템에서, 프리앰블이 모든 Tx와 Rx 빔 방향으로 전송되어야 하기 때문에 directional random access (DRA)의 소요 시간이 매우 길다. 첫째로, 다중 안테나 배열을 고려한 밀리미터파 셀룰러 시스템에서 DRA 소요 시간을 줄이기위한 두 종류의 DRA 프리앰블 (DRAPs; TYPE-1과 TYPE-2)이 제안되었다. 일정한 크기, 상관 연산, false-alarm 확률, 그리고 검출 확률과 같은 DRAP들의 특성들이 다중 유저 환경에서 분석되었다. TYPE-2 DRAP는 다중 유저 환경에서 높은 검출 확률, 상당히 낮은 복잡도, 기존 기법에 비해 더 짧은 처리 시간으로 인해 mmWave 셀룰러 시스템에서 지향성 빔을 가정한 DRA에 적합하다는 것을 보였다. 두 번째로, mmWave 셀룰러 시스템의 초기 접속에서 하이브리드 빔포밍을 고려한 셀 선택 기법이 제안되었다. 셀 선택을 위해서는 초기화 단계에서 모든 후보 셀의 도래각 (AoAs)과 발사각 (AoDs)을 추정할 필요가 있어 상당한 처리 시간이 필요하다. 다중 셀 환경에서 동시에 다중 빔 전송을 수행하기 위해 빔 ID(BIDs) 와 셀 ID(CID)를 할당할 수 있는 cell and beam synchronization signal (CBSS)이 제안되었다. 추정된 채널 정보와 최적의 프리코더는 하이브리드 빔포머의 채널 용량을 최대화하는 셀을 선택하도록 이용되었다. 더 나아가, 제안된 기법의 성능을 평가하기 위해서 간단한 mmWave 모델 중 spatial channel model (SCM)이 사용되었다. 모의실험 결과 CBSS를 사용한 제안된 기법은 기존 기법들에 비해 채널 추정에 필요한 처리 시간을 크게 줄일 수 있고, 채널 용량 또는 bit error rate (BER)의 측면에서 추가적인 이득을 얻을 수 있다. 셋째, mmWave 셀룰러 시스템에서 높은 도플러 효과를 고려한 고속 유저(HVU)를 위한 RAP 설계 기법이 제안되었다. 여기서, 기존의 long-term evolution (LTE) 기반 RAP는 도플러 시프트의 영향 하에서 비효율적인 것으로 나타났으며, mmWave 시스템에서 HVU의 검출을 위해 선형 linear-frequency-modulation (LFM RAP)에 기초한 새로운 RAP가 제안되었다. HVU의 높은 도플러에 의해 영향을 받는 RAP (LTE 및 LFM)의 특성을 파악하기 위해, LFM RAP의 ambiguity 및 extended-ambiguity 뿐만 아니라 LTE 기반 RAP의 상관 함수가 분석된다. RAP의 false alarm 및 검출 확률은 높은 도플러 및 다중 유저 환경에서 평가되었다. 모의실험 결과에 따르면 고속 및 다중 사용자 환경에서 높은 검출 확률을 갖는 LFM RAP는 mmWave 셀룰러 시스템의 HVU에 적합한 것으로 보인다. 미래의 5G New Radio (NR)는 mmWave에서 높은 정확도를 제공하기 위해 포지셔닝을 셀룰러 시스템의 필수 부분으로 고려한다. 포지셔닝에 대한 5G 표준이 완전히 규정되지 않았지만 현재 LTE에 사용되는 positioning reference signal (PRS)가 고려되고 있다. 기존의 LTE PRS는 6 GHz 미만의 LTE 시스템 용으로 설계 되었기 때문에 mmWave 셀룰러 시스템에서 높은 도플러 효과를 겪는 HVU에게는 더욱 민감하고 비효율적이다. 마지막으로, mmWave 셀룰러 시스템에서 HVU의 포지셔닝을 위해 oscillatory pulse sequence (OPS)라고 불리는 새로운 시퀀스가 제안된다. 도플러 시프트의 영향 하에서 자기 상관 및 상호 상관의 특성을 조사하기 위해, OPS의 AF 및 cross-AF가 분석되었다. 모의실험 결과를 통해 OPS는 높은 도플러 시프트의 영향에서 타이밍 (거리)을 정확하게 추정하여 포지셔닝을 위한 AF의 이상적인 특성 ("선")을 충족시키는 것으로 나타났다. 다른 주파수 영역의 신호와 쉽게 다중화 할 수 있으므로 OPS는 특히 orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) 시스템에 적합할 것이다.

Who participates in school councils and how? A case study of elementary schools in Sargodha District, Punjab, Pakistan

Khan, Faryal Harvard University 2005 해외박사(DDOD)

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While evidence from developed countries suggests that communities can bring about changes in schools (Sergiovanni cited in Hargreaves et al., 1998), systematic reviews of such practice in developing countries are scant (Hanson, 1997; Khan, 2001). Research in industrialized countries suggests that community participation through school councils could produce opposite outcomes: it can either reinforce or challenge social practices outside of schools ( Abu-Duhou, 1999; Bryk, et al., 1998; Caldwell, 1990; Duttweiler, 1989; Hanson , 2000; Leithwood & Menzies, 1998; Malen, Ogawa & Kranz, 1990; Wohlstetter, 1993). My thesis is a descriptive analysis that furthers our understanding of school councils in Pakistan, a developing country with one of the world's lowest literacy rates. I studied school councils within the context of Pakistan's Local Government Plan 2000, addressing four Research Questions: (1) Who participates in school councils, in terms of socio-economic status and gender? (2) What functions do school council members perform? (3) What categories of decisions do they make? (4) What characterizes the differences between who participates and what they do in male and female school councils?. To answer these questions I conducted cross-case analysis of 8 school councils, purposively selected, in government schools partnering with NGOs for financial support and provision of services in rural Sargodha District, Pakistan. I collected qualitative data in three phases---using document analysis, interviews and observations---from government officials, community organizations, and school council members. Two variables steer my analysis: the social "inclusiveness" of school council composition, and the "newness" of the decisions councils make. Even though members continue to be predominantly men of high SES, councils enable women's participation by appointing mothers and female representatives, 35% of the school council members in my study. Even though the poor are the majority in these agrarian communities; these councils appointed only 8% members from poor households and 17% from households with medium SES. Disparity in council membership is wider with regard to socioeconomic background than gender, and demands policy intervention to enhance social inclusion in educational decision-making. While councils reproduce traditional social organization by predominantly appointing male members of the local elite, they also enlarge circles of participation to include women and marginalized groups, to participate in a range of educational decisions including pedagogy and curriculum, personnel, students' needs and structure and operations that were formerly the sole domain of professional educators. Explanatory factors that challenge existing social norms, and explain changes are leadership of council members---not just the school heads' but also parent and civil society members'---social capital mobilization, and in girls' schools the added factor of purdah, veil or women's seclusion, affect who participates in school councils and how. This study has implications for the representation of women, the poor and the marginalized groups in educational decision-making. I hope it will contribute to the literature on the role of school councils in a traditional society, and expands the empirical knowledge base available to improve schools in response to the needs of local communities.

High resolution optical coherence tomography probe with nano-optic Fresnel lens

Khan, Durrani Abdullah 세종대학교 대학원 2020 국내석사

Optical coherence tomography (OCT) is an emerging technology capable of acquiring high resolution images from inside the body using flexible, ultrathin optic fiber based lens probe. A high resolution OCT probe with Fresnel lens on the facet of the fiber tip using ultraviolet nanoimprint lithography (UV-NIL) has been demonstrated. The mold used to make the Fresnel lens via NIL was acquired by FIB milling. Fabrication and characteristics of an optical probe consisting of single mode fiber (SMF), non-core fiber (diameter = 160 μm), and a nanoimprinted Fresnel lens (refractive index = 1.5 and height = 1.93 μm) have been demonstrated. Simulations of the optical probe have been performed on a VirtualLab Fusion software. The optical probe were able to achieve a lateral resolution of 6.36 μm in air with a 165 μm depth of focus (DOF). These results prove that such probe can be useful for achieving high resolution images in endoscopic OCT.

Experimentation towards wireless approach to prevent construction accidents

Khan, Shahzad 한양대학교 대학원 2010 국내석사

Abstract Shahzad khan Department of Civil And Environmental Systems Engineering, Graduate School Of Engineering, Hanyang University The concept of safety culture is relatively new in the construction industry; however, it is gaining popularity due to its ability to embrace all perceptional, psychological, behavioral, and managerial factors. Construction Collision and Falls Accidents on site are very high in numbers which pose a serious threat to this industry. A Real Time Locating System has been assessed in this research study to prevent such ugly incidents. Wireless Local Area Network (WLAN) location is the perfect complement to Global Positioning Systems receivers for providing users with location information. WLAN operates in many areas in which GPS receivers cannot establish a lock, such as indoor environments and metropolitan (Obstruction by tall Buildings) areas. There are many references to WLAN location in scientific literature. Most of this research concentrates on signal strength based approaches. The advantage of signal strength approaches is that they are easy to implement. A special focus has been given to height and Indoor (stair case) location. A number of experiments have been performed to assess the behavior of signal strength at these points.

One belt one road (OBOR) : where does Pakistan fit in the puzzle?

Junaid, Khan 세종대학교 공공정책대학원 2019 국내석사

One Belt One Road (OBOR) initiative is China’s long-term plan for economic development and global power shift. The benefits associated with OBOR have been explored by researchers working in the fields of political science and international relations. There are different views regarding OBOR and China’s true motives. The interest shown by China towards developing Pakistan and the flagship project; CPEC are under scrutiny and the true benefits for Pakistan remain to be determined. China has proposed building nations and developing the economy of the countries involved in OBOR. Pakistan has readily joined hand with China in this initiative and is known to be at the brink of prosperity through its friendship with China. However, the true future outcomes remain to be determined and the real motives of China have come under doubts at many instances. This research study explores a puzzle which centres on the nation building aspects of OBOR and tries to identify what is in store for the Pakistani population in the long run. The existing literature has been analysed critically and the views of the scholars have been used for analysing our research questions in depth. It seems that gaining a true understanding about the possible outcomes of OBOR is something that remains to be way in the future and making prediction at this stage is not possible. There are various doubts and questions that have been raised during this study since China’s rise to power has been linked with disturbance within the global power politics. The current study concludes that the nation building aspects of OBOR are not very strong and there have been instances of racial differences within Pakistan that have resulted due to projects included in CPEC. However, the true aspects of OBOR can only be revealed once the projects reach their end and benefits or losses can be analysed with the help of empirical data. Hence, solving the puzzle about nation building and OBOR is something that remains in the distance, but this study has opened windows for more complex puzzles to be explored in regards with OBOR in the long-run. Keywords: OBOR, CPEC, NATION BUILDING, CHINA, PAKISTAN One Belt One Road (OBOR) 이니셔티브는 중국의 경제 발전과 세계 권력 이동을위한 장기 계획입니다. OBOR과 관련된 이점은 정치학 및 국제 관계 분야의 연구자들에 의해 연구되었습니다. OBOR와 중국의 진정한 동기에 관한 견해가 다릅니다. 파키스탄 개발 및 주력 프로젝트에 대한 중국의 관심 CPEC는 정밀 조사를 받고 있으며 파키스탄의 진정한 이익은 여전히 ​​결정될 것입니다. 중국은 건설 국가를 제안하고 OBOR에 관련된 국가의 경제를 발전시켰다. 파키스탄은이 이니셔티브에서 중국과 손을 맞 잡았으며 중국과의 우호 관계를 통해 번영의 위기에 처한 것으로 알려졌다. 그러나 진정한 미래의 결과는 여전히 결정되어야하며 많은 경우 중국의 진정한 동기는 의문의 여지가 있습니다. 이 연구 조사는 국가 건설을 중심으로 OBOR의 측면을 중심으로 한 퍼즐을 탐구하고 장기적으로 파키스탄 인구의 상점을 파악하려고합니다. 기존의 문헌은 비판적으로 분석되었으며, 학자들의 견해는 우리의 연구 문제를 깊이있게 분석하는데 사용되었습니다. OBOR의 가능한 결과에 대한 진정한 이해를 얻는 것은 미래에 길로 남아있을 것이고이 단계에서의 예측은 불가능합니다. 중국의 권력 승계가 전지구 적 권력 정치의 교란과 관련되어 있기 때문에이 연구에서 제기 된 다양한 의문과 의문이있다. 현재의 연구는 OBOR의 국가 건설 측면이 그리 강력하지 않으며 CPEC에 포함 된 프로젝트로 인해 파키스탄 내에서 인종 차별이 발생했다는 결론을 내렸다. 그러나 OBOR의 진정한 측면은 프로젝트가 끝나고 경험적 데이터의 도움을 받아 이익 또는 손실을 분석 할 수있는 경우에만 공개 될 수 있습니다. 따라서 국가 건설과 OBOR에 관한 퍼즐을 푸는 것은 먼 거리에 남아있는 것이지만,이 연구는 장기적으로 OBOR과 관련하여 좀 더 복잡한 퍼즐에 대한 창을 열었습니다. 키워드 : OBOR, CPEC, NATION BUILDING, CHINA, PAKISTAN One Belt One Road (OBOR) 이니셔티브는 중국의 경제 발전과 세계 권력 이동을위한 장기 계획입니다. OBOR과 관련된 이점은 정치학 및 국제 관계 분야의 연구자들에 의해 연구되었습니다. OBOR와 중국의 진정한 동기에 관한 견해가 다릅니다. 파키스탄 개발 및 주력 프로젝트에 대한 중국의 관심 CPEC는 정밀 조사를 받고 있으며 파키스탄의 진정한 이익은 여전히 ​​결정될 것입니다. 중국은 건설 국가를 제안하고 OBOR에 관련된 국가의 경제를 발전시켰다. 파키스탄은이 이니셔티브에서 중국과 손을 맞 잡았으며 중국과의 우호 관계를 통해 번영의 위기에 처한 것으로 알려졌다. 그러나 진정한 미래의 결과는 여전히 결정되어야하며 많은 경우 중국의 진정한 동기는 의문의 여지가 있습니다. 이 연구 조사는 국가 건설을 중심으로 OBOR의 측면을 중심으로 한 퍼즐을 탐구하고 장기적으로 파키스탄 인구의 상점을 파악하려고합니다. 기존의 문헌은 비판적으로 분석되었으며, 학자들의 견해는 우리의 연구 문제를 깊이있게 분석하는데 사용되었습니다. OBOR의 가능한 결과에 대한 진정한 이해를 얻는 것은 미래에 길로 남아있을 것이고이 단계에서의 예측은 불가능합니다. 중국의 권력 승계가 전지구 적 권력 정치의 교란과 관련되어 있기 때문에이 연구에서 제기 된 다양한 의문과 의문이있다. 현재의 연구는 OBOR의 국가 건설 측면이 그리 강력하지 않으며 CPEC에 포함 된 프로젝트로 인해 파키스탄 내에서 인종 차별이 발생했다는 결론을 내렸다. 그러나 OBOR의 진정한 측면은 프로젝트가 끝나고 경험적 데이터의 도움을 받아 이익 또는 손실을 분석 할 수있는 경우에만 공개 될 수 있습니다. 따라서 국가 건설과 OBOR에 관한 퍼즐을 푸는 것은 먼 거리에 남아있는 것이지만,이 연구는 장기적으로 OBOR과 관련하여 좀 더 복잡한 퍼즐에 대한 창을 열었습니다. 키워드 : OBOR, CPEC, NATION BUILDING, CHINA, PAKISTAN

Quantum Anonymous Networks

KHAN AWAIS 경희대학교 대학원 2023 국내박사

Cybersecurity is the study of all facets regarding the security of communication and computation in a distributed network. Significant developments in quantum technologies have outclassed their classical counterparts, thus envisioning the realization of a quantum internet. However, such quantum resources, in the hands of an adversary, can jeopardize network security. Much attention has been paid to protecting the contents of messages, and proposed algorithms offer absolute security based on the laws of quantum physics. On the other hand, less consideration has been given to the users’ anonymity. Anonymity is a desirable yet challenging requirement of the network and provides an added layer of security. Our proposal is based on establishing the quantum anonymous networks and provides its application in communication and computational networks. These networks rely on the distribution of entanglement in multi-partite settings. Monogamy and polygamy relations explain the quantification and characterization of entanglement distribution for multi-partite systems. First, we present the generalized monogamy and polygamy relations related to the different entanglement measures. These relations are tighter than existing relations. Specifically, we inquire about the Unified-(q, s) entanglement (Uq,s) that encompasses Tsallis-q entanglement, R´enyi-q entanglement, and entanglement of formation as its special cases. We first provide the extended (q, s) region of the generalized analytic formula of Uq,s. Then, the monogamy relation based on the squared Uq,s for arbitrary multi-partite mixed states is proved. This monogamy relation enables us to construct an entanglement indicator that can be utilized to identify all genuine entangled states. We then present the quantum anonymous networks’ first core component, the quantum anonymous collision detection (QACD) protocol. QACD protocol detects not only the collision but also guarantees anonymity in the case of multiple senders. The salient feature of this protocol is resource efficiency and tracelessness. The tracelessness property means it is impossible to trace the encoding operations back to the encoding party even if all network communication is made available to an adversary. Then, we propose the first quantum anonymous notification (QAN) protocol that introduces anonymity for both sender and the receiver in practical quantum networks. This protocol also features tracelessness. Additionally, we demonstrate the QAN protocol in a four-node network using an IBM quantum computer to benchmark its performance in practical settings. In quantum information retrieval systems, we study two secure network connectivity concerns, namely, privacy and anonymity. To this end, we propose a state-of-the-art single-server multiuser quantum anonymous private information retrieval (QAPIR) protocol. We present the quantum anonymous broadcast, quantum anonymous entanglement generation, and quantum anonymous verification protocol to actualize this. We show that the QAPIR protocol provides privacy and introduces anonymity as an added layer of security in quantum networks. Furthermore, we also detail a comparative security analysis that establishes the desirable properties of our proposal.

Essays on electronic government in developing countries : a socio-technical perspective

Khan, Gohar Feroz KAIST 2011 국내박사