Transition characteristics of the wood cell walls during carbonization : 탄화에 따른 목재 세포벽의 이행특성

Kwon Sung Min 강원대학교 대학원 2010 국내박사

Understanding the transition mechanisms from wood to charcoal is one of the important keys for the pyrolysis process of wood-based biomass. However, the mechanisms for wood carbonization are not fully understood because of the complexity caused by the varying structural, physical and chemical properties of wood. The objective of this study, therefore, is to investigate the transition characteristics from wood to for understanding the carbonization mechanism of wood. In the present study, preparation of wood chars has been carried out under the two ways of carbonization processes; different heating rate and fixed heating rate. In the carbonization of different heating rate process, the wood samples were carbonized for 30 minutes from room temperature to the final targeted carbonization temperature. After reaching the final carbonization temperature, the samples were kept for 10 minutes at constant temperature. In the carbonization of fixed heating rate process, the wood samples were carbonized with a fixed heating rate of 5˚C min.-1 from room temperature to the final carbonization temperature. After reaching the final carbonization temperature, the samples were kept for 10 minutes at constant temperature. Three hardwood species (Quercus variabilis, Quercus dentata and Quercus mongolica) and two softwood species (Pinus koraiensis and Larix kaempferi) were used for this study. Transition characteristics of the carbonized woods at various temperature conditions such as cell wall morphology, cellulose crystal structure, surface chemical structure, weight loss, earlywood vessel diameter, cell wall thickness, pH and heating value have been investigated. In the both carbonization processes, the volume, vessel diameter and cell wall thickness of the wood samples were decreased with increasing the temperature. On the other hand, the weight loss, pH and heating value were increased with increasing the carbonization temperature. SEM observation indicated that the layering structures of the walls in wood fibers and parenchyma cells were presented at 330 and 340℃. However, the cell wall layering structures disappeared at 350℃ and changed drastically into an amorphous-like structure. X-ray diffraction showed that the cellulose crystalline substance was still remained at 340℃, but it was not detected at 350℃. From FT-IR spectroscopy, aromatic skeletal vibration showed maximum intensities at 390℃ and the ether groups decreased with increasing temperature. This study revealed that wood might be changed into charcoal at about 350°C, and the heating rate was not greatly affected in the charcoal transition characteristics at our temperature condition. 목재에서 목탄으로의 이행 메커니즘을 해명하는 것은 목질계 바이오매스 열분해 과정에 중요한 요소 중의 하나이다. 그러나 목재의 탄화 메커니즘은 목재의 복잡한 구조적, 물리적, 화학적 성질로 인해 아직까지도 명확하게 밝혀져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 목재에서 목탄으로의 이행특성을 명확히 하고자 탄화온도에 따른 목재 세포벽의 이행특성과 성질변화에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 실온에서 각각의 목표온도까지 30분간 탄화 후 10분간 목표온도를 유지한 탄화방법과 실온에서 목표온도까지 5˚C min.-1의 승온 온도로 탄화 후 10분간 목표온도를 유지한 탄화방법으로 두 가지의 조건으로 실시하였다. 활엽수 3수종(굴참나무, 떡갈나무, 신갈나무)과 침엽수 2수종(잣나무, 낙엽송)을 다양한 온도조건으로 탄화하여 세포벽 형태의 변화, 셀룰로오스 결정 구조 및 화학구조 변화를 조사하였고 중량감소율, 도재부 도관직경 및 세포벽 두께, pH, 발열량 변화를 관찰하여 목재에서 목탄으로의 이행특성을 검토하였다. 두 종류의 탄화과정에서 체적, 도관직경 및 세포벽 두께는 탄화온도가 높아질수록 감소하였으며, 중량감소율, pH, 발열량은 탄화온도가 높아질수록 증가하였다. SEM 관찰 결과 탄화온도 330∼340℃에서 목재 세포벽의 벽층구조를 확인할 수 있었지만, 350℃ 이상에서는 세포벽층이 비결정성 형태를 보여주었다. X선 회절분석 결과, 탄화온도 340℃까지는 목재 셀룰로오스의 결정구조가 남아있었으나, 350℃ 이상에서는 비결정성 구조로 변화된 것이 관찰되었다. FT-IR 분석결과, 탄화온도 390℃에서 aromatic skeletal vibration은 최대치를 보여주었으나 ether groups은 탄화온도 증가와 함께 감소되는 것이 관찰되었다. 따라서 본 연구의 탄화조건에 따르면 목재에서 목탄으로 변화되는 온도는 약 350℃ 부분인 것으로 나타났으며, 승온 온도는 목탄으로의 이행특성에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다.

Metal-chalcogenide transistor based optoelectronic neuromorphic devices and circuits

권성민 중앙대학교 대학원 2022 국내박사

생체 모방 신경망 컴퓨터 장치는 시각, 청각, 촉각 등의 생체 인식 또는 딥러닝 기반 지능형 작업 처리, 인공 신경망 등 방대한 데이터 처리 작업에 유망한 방법으로 여겨진다. 그러나, 기존 폰 뉴이만 컴퓨터 연산 처리 방식의 인공 신경망 기술은 주로 연산 장치와 기억 장치의 분리와 직렬식 데이터 처리 방식으로 인해 효율적인 연산 처리를 구현하는데 한계가 있다. 따라서, 이를 극복하기 위해 신경 및 시냅스 기능을 반도체 장치 자체에서 구현할 수 있는 뉴로모픽 칩이 활발히 연구되고 있다. CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술을 활용한 생체 모방 뉴로모픽 칩은 하드웨어 자체로 생체 신경성 역학 모방하는 방향으로 개발되고 있다. 그러나, 실리콘 기반 반도체 기술이 나노미터 규모의 공정으로 집적화 됨에 따라 전하 사이의 간섭 및 전자기력과의 상호 작용 때문에 무어의 법칙에 따라 집적도의 한계에 도달하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 빛을 데이터 신호로 사용하는 광전자 시냅스 소자는 고밀도 집적, 저전력 소비, 고대역폭의 장점을 갖춘 차세대 컴퓨팅 시스템 장치로 여겨진다. 최근 광전자 시냅스 장치는 지속성 광전도 효과를 통해 주로 구현되고 있고, 이 효과는 전하 트래핑, 결함 이온화, 전기화학적 도핑 및 전도성 필라멘트 등 다양한 메커니즘을 기반으로 한다. 이러한 방식으로 생체 시냅스의 가장 기본적인 역학 행동인 단기 가소성, 장기 가소성, 펄스 촉진 및 시간 종속 가소성 기능들을 구현하는 소자들이 연구되었다. 그러나, 빛은 전기와 다르게 음의 값이 존재하지 않아 시냅스의 제한된 기능만을 모사할 수 있기 때문에 이러한 한계점을 해결할 수 있으며, 집적된 회로 형태로 구현할 수 있는 광전자 뉴로모픽 소자는 하드웨어 기반 신경망 시스템 구현을 위한 중요한 단계이다. 본 논문에서는 종래의 CMOS 기술과 호환이 가능한 대면적 픽셀화 된 광전자 시냅스 회로를 구현하였다. 시냅스 소자에 사용된 칼코겐 반도체에 대한 자세한 화학적 설명 및 전자 소자 적용을 포함하여, 이를 광 적응 시각 인식 시스템 및 다중 스펙트럼 광 신호를 이용하여 완전한 시냅스 동작이 가능한 하드웨어 기반 어레이 구현에 활용한 연구를 기술하였다. Bio-mimicked neural network computing is promising methodologies to process massive information for intelligent tasks, such as deep-learning based image, voice and biometrics recognition, and other complex applications. However, artificial neural network technology based on a conventional the von-Neumann architecture in which core computing units such as memory and processor are physically separated and sequential operate with a central command eventually has limitations in implementing fast-speed and energy-efficient computing. Consequently, the processing of software-based neural networks is structurally different from massively parallel signal processing in human brain neural networks, and thus there are limitations in memory and processor data transmission. To overcome these limitations, the neuromorphic chip enabling the hardware implementation of neurons and synapses, which are the basic components of the human brain, is considered as essential parts for neural network computing flatform. Biomimetic solid-state neuron based on complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuit have been found to reflect a convincingly real neural response dynamics on a chip, and also provide a feasibility of the artificial intelligent system. Recently, as the neuromorphic chip in a nanoscale has improved, the application of Moore’s Law will reach the density limit due to the interference of electron tunneling or electromagnetic forces in an individual device. In this regard, optoelectronic neuromorphic computing using light as spike signal can be attractive alternative system capable of high-density, low-power consumption, high-bandwidth and low crosstalk. In this thesis, the standard CMOS process compatible metal oxide (MO) and metal chalcogenide (MC) semiconductor based optoelectronic devices are developed for the implementation of optoelectronic neuromorphic computing. Firstly, the generally applicable chalco-gel based solution synthesis are proposed for the deposition of high-quality, large-area metal chalcogenide semiconductor films and their facile implementation in optoelectronic devices and circuits with standard CMOS processing. The exhaustive investigation of the underlying physicochemical mechanism via a variety of chemical, structural, and electrical characterizations is also provided. Furthermore, by utilizing the chalco-gel based MC and MO semiconductor, the optoelectronic synaptic device (OSD) was demonstrated. The OSD consists of photovoltaic divider and synaptic transistor, providing the neurosynaptic electronics with novel device operations such as light-adaptable synaptic functions, multispectral light-stimulated neural network computation and fully optic-driven bidirectional synaptic modulation. The OSD demonstrations imply that the large-area neuromorphic systems with circuit-level can offer a general route to high-performance and extremely scalable photonic neuromorphic computing system with marginal complexity, offering compatibility with conventional CMOS processing and large-area-fabricated on-chip device applications.

High-mobility metal chalcogenide semiconductor devices by sol-gel method

권성민 중앙대학교 대학원 2017 국내석사

본 연구에서는, 용액 기반 금속 칼코게나이드 다결정형 반도체 기술을 개발하였고, 이를 토대로 대면적 및 고성능 전자 회로를 구현하였다. 금속 칼코게나이드는 최근 높은 전도도, 높은 전하 이동도, 다양한 광학적 특성으로 인해 주목 받고 있는 물질로서, 이 논문에서는 아연, 카드뮴, 인듐, 주석, 납 등의 금속과 칼코겐 원소인 황, 셀레늄의 조합을 통해 여러가지 용액형 다결정형 반도체 박막을 400도 이하의 온도에서 형성하여 그 특성과 분석 결과를 보고하였다. 칼코겐 물질은 기존 반도체 물질에 쓰이는 용매에 잘 녹지 않는다는 단점이 있는데, 반응기가 붙은 유기 칼코겐 반응물을 사용하여 기존에 사용되던 용매에 성공적으로 용해 시켰고, 이를 통해 만든 금속 칼코게나이드 용액을 스핀 코팅 기법을 사용하여 용액 반도체 공정을 통해 대면적 및 고성능 집적 박막 회로를 구현하였다. 이 연구에서의 박막 트랜지스터의 전자 이동도는 160 cm2/Vs, 장시간 전압 스트레스 하의 문턱 전압 변화 < 0.5V, 트랜지스터의 점멸비 > 107 를 구현하였고, 현재까지 보고된 아주 우수한 특성의 용액형 박막 트랜지스터들과 비견할 만한 뛰어난 성능을 보인다. 박막 트랜지스터를 기반으로 한 발진 회로에서는 1.85 MHz의 고 주파수 발진 특성을 보였다. 또한, 용액형 반도체의 장점인 조성비 조절을 통해 점진적인 광학적 특성 변화를 볼 수 있었고, 향후 연구에서 용액형 메탈 칼코게나이드 물질을 이용한 센서 회로 등의 이용 가능성 또한 볼 수 있다. 본 연구에서는 용액형 메탈 칼코게나이드 연구를 통해 차세대 반도체 물질의 가능성을 제시한다. In this research, a new strategy for large-area and high-performance solution-processed metal chalcogenide semiconductors and devices was demonstrated. A variety of metal chalcogenides and those alloys (MQx: M = Zn, Cd, In, Sb, Pb; Q = S, Se) were successfully demonstrated using relatively low-temperature (< 400˚C) sol-gel processing via organochalcogen (chalcoureas or chalcoamides) and metal precursors. The parent organochalcogen precursors could be easily dissociated using conventional solvents and the lower dimensional metal-anion components can be connected tightly together, making large-area and high-performance polycrystalline semiconducting films. A CdSe thin film from commercial organic solvent process was used for active layer of thin-film-transistors and integrated circuits which demonstrate electron saturation mobilities exceeding 160 cm2/V-s, subthreshold voltage shift < 0.5 V, and frequency of > 1.85 MHz in seven-stage ring oscillators on borosilicate glass substrates.

Transition characteristics of the wood cell walls during carbonization

권성민 Kangwon National Univ. 2010 국내박사

Process development of SiO₂ nanopatterns using inductively coupled plasma

권민성 Korea University 2018 국내석사

ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma – Reactive Ion Etching) is widely used in the semiconductor industry. We used ICP to etch thin substrate such as Si wafer, but we wondered if the same etch pattern appeared on bulk dielectric substrate such as thick glass substrate. The substrate used in this experiment is as follows. SiO2 was deposited on Si substrate and patterned Cr mask was fabricated by NIL and E-beam evaporator. The patterned Si substrate was placed on a quartz pedestal and the thickness and the base area of the pedestal were changed to observe the results. In the bulk dielectric substrate, the etch profile varies depending on the thickness and size of the material. Therefore, new etching conditions must be established every time to obtain the desired etching profile. A faraday cage can be used to create a uniform etch environment regardless of the bulk substrate difference there was. And the etching patterns were observed by varying ICP power, RF power, gas flow rate, and pressure.