이산화탄소와 초미세먼지 농도를 고려한 어린이집 실내공기질 관리

이도연 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2024 국내석사

People have spent most of their day indoors, indoor air quality has a significant impact on public health. It is especially important for the health of vulnerable groups, such as the elderly and children. The goal of this study is to suggest effective indoor air quality management through mechanical ventilation and air purifier through a scenario study in a kindergarten. The condition of scen rios is in the site where natural ventilation is restricted. The result of study shows that a ventilation rate of 0.142 h-1 per child is required and that mechanical ventilation with high-grade filters (e.g., MERV 13) is effective to reduce indoor PM2.5 concentrations. The use of higher grade filters in the mechanical ventilation issues an additional pressure drop, which increases energy consumption per unit flowrate of ventilation, but the method also issues high cost efficiency compared with other method to manage indoor air quality if the more flowrate of ventilation is supplied. This study provides a scientific basis for reducing indoor PM2.5 while maintaining CO2 concentrations below 1000 ppm when energy consumption is taken into account. Key words : CO2, PM2.5 mechanical ventilation, energy consumption, indoor air quality 사람들이 하루 중 대부분의 시간을 실내에서 보내는 점을 고려할 때, 실내 공기질은 공중 보건에 상당한 영향을 미친다. 특히 노인과 어린이가 속하는 취약 계층의 건강을 위해서는 실내 공기질관리의 중요성이 강조된다. 본 연구의 목적은 어린이집을 대상으로한 시나리오 연구를 통해 기계식 환기 시스템과 공기청정기의 운영여부가 실내 공기질 관리에 미치는 효과를 분석하고 효율적인 관리방안을 제안하는 것이다. 시나리오 조건은 창문 개폐 등 자연환기가제한되는 조건에서 진행했다. 연구 결과, 어린이집 내에서 어린이한 명당 필요한 환기율은 0.142 h-1로 나타났으며, 고급 필터(예:MERV 13)를 장착한 기계식 환기 시스템이 실내 초미세먼지(PM2.5) 농도 감소에 효과적임을 확인하였다. 기계 환기에 높은 등급의 필터를 사용하는 것은 압력 강하가 증가하여 에너지 소비가 소폭 늘어나지만, 이 방법은 실내 환기량이 많을수록 단위 전력 소모량 대비실내 PM2.5 저감량이 공기청정기를 통한 저감량보다 높아진다. 본연구는 에너지 소비를 고려한 이산화탄소(CO2) 농도 1000 ppm 이하 유지와 실내 미세먼지 감소를 위한 과학적 근거를 제공한다. 주요단어(Keyword) : CO2, PM2.5, 기계환기, 에너지 소모율, 실내공기질

A Study on Advanced Photonic Crystals for Versatile Optical Devices

Minh Hoang Nguyen 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내박사

Colors play a vital role in the biological environment. Through millions years of evolution, animals and plants have adapted to employ intricate patterns and hues for camouflage, courtship, and predation. Meanwhile, since the dawn of human civilization, colors have been a fundamental element of artistic decorations, ritual practices, and mutual communication. Most of the colors in nature are generated from selective absorption of pigments and bioluminescence. However, particularly vivid and saturated colors arise from the optical interactions of light with nano-or microscale structures such as scattering, diffraction grating and thin-film interference. These are referred to as “structural colors”, and the structures that, by tailoring of light, emit colors are categorized as a part of “photonic structures”. Although structural colors have drawn attention from researchers for centuries, it is only the recent revolution of nanotechnology that has enabled researchers to comprehensively investigate and mimic the structural colors in nature. Diverse techniques have been presented to fabricate structural colors such as self-assembly of nanomaterials, nanolithography, nanoimprinting, moulding, and so on. However, previous reports have focused only a single photonic structure, so a simple and versatile process to integrate multiple nanostructures on a single substrate remains a challenging task. In this dissertation, novel techniques to fabricate and combine multiple photonic structures were introduced. The innovative integration of those structures paves the way for intriguing applications, including anti-counterfeiting, and colorimetric sensing. The first chapter of this thesis focuses on reviewing the previous studies of structural colors, and their principles. And various techniques to create structural colors are summarized in chapter II. Then, a facile process is presented to fabricate devices of structural colors, which is appropriate for large-scale production in future. In the first approach, master molds with 2D photonic crystal structures were fabricated by depositing a metal on a monolayer of nonclose-packed nanoparticles. By tailoring the thickness of thin metal film, either nano bump/nano concave arrays or both could be created in a controllable manner. Then, flexible Polydimethylsiloxane (PDMS) stamps with iridescent color were replicated out of these molds. An in-depth study of their colors is presented in chapter III. Owing to their peculiar properties, the incorporation of multiple photonic crystals on a single substrate opens a promising avenue for a wide range of applications (chapter IV). The first application demonstrated in this thesis is for anti-counterfeiting devices. Hidden geometric patterns are revealed in iridescent colors only under specific external triggers. A method for estimating the strain by simply observing the color contrast was introduced. In chapter V, thin film of metal was deposited on non-close- packed and close- packed monolayers of nanoparticles to integrate the strain sensitive and strain insensitive photonic crystals on a single device. In this way, the colors can be used as an effective signal for mechanical strain sensor and hazardous chemical indicator regardless of the angles. In chapter VI, an encrypted photonic crystal is investigated and demonstrated for anticounterfeiting stamps. This thesis presents an affordable and flexible technique to fabricate multifunctional photonic crystals, which is expected to have a broad impact on the development of photonic structures for practical applications. Key words: structural color, photonic crystal. strain sensor, anticounterfeiting. 색상은 오랜 시간 동안 자연계에서 중요한 역할을 해 왔다. 수백만 년의 진화 과정을 거치며 동물과 식물은 위장, 구애, 포식과 같은 목적을 위해 복잡한 패턴과 색상을 활용하도록 적응해 왔다. 한편, 인류 문명의 초기부터 색상은 예술적 장식, 의식, 상호 의사소통의 핵심 요소였다. 자연계에서 대부분의 색상은 색소의 선택적 흡수와 생물학적 발광을 통해 발생한다. 하지만 생생하고 강렬한 색상은 빛이 나노 또는 마이크로 규모의 구조와 상호작용할 때 발생하며, 이는 산란, 회절 격자, 얇은 막의 간섭 등의 현상으로 설명할 수 있다. 이러한 색상들 구조색(Structural color)으로 지칭되며, 이렇게 빛을 조절하여 색상을 만드는 초미세 구조는 광자 구조(photonic structures)로 일컬어 진다. 구조색은 수 세기 동안 연구자들의 관심을 끌어왔으나, 최근에 들어서야 나노기술 발전으로 인해 연구자들이 자연에서의 구조색을 보다 종합적으로 연구하고 모사할 수 있게 되었다. 그 결과 현재에는 나노재료의 자가 조립, 나노리소그래피, 나노임프린팅, 몰딩 등의 다양한 기술이 구조색을 만들어내기 위해 사용되고 있다. 그러나 현재까지의 연구들은 단일 광자 구조에만 집중했기 때문에, 단일 기판에 여러 나노 구조를 통합할 수 있는 간단하면서도 다용도의 제조공정은 여전히 도전적인 과제로 남아 있다. 본 논문에서는 여러 광자 구조를 제작하고 결합하는 새로운 공정 기술을 연구하였다. 이러한 새로운 구조의 통합은 위조 방지 및 색상 측정 센서 (colorimetric sensor) 등 다양한 응용 분야로 활용될 수 있는 길을 제시할 수 있다. 본 논문의 첫 번째 장에서는 구조색에 관한 이전의 연구와 그 원리를 검토한다. 또한, 다양한 구조색 제작 기술들이 두 번째 장에서 요약하여 소개된다. 이어서, 미래의 대량 생산에 적합한 소자를 제작하기 위한 간단하고 효율적인 몇 가지의 공정기술이 제시된다. 첫 번째 접근법에서는 비접착성 나노입자 단층 위에 금속을 증착하여 2차원 광자 결정 구조를 가진 마스터 몰드를 제작하였다. 금속 막의 두께를 조절하여 제어 가능한 방식으로 나노 양각 구조 또는 나노 음각 구조 어레이를 제작하였다. 이후 이 몰드를 사용하여 유연한 폴리디메틸실록산(PDMS) 스탬프를 제작하였다. 이 스탬프는 무지개 색상을 띠고 있는데, 이 색상에 대한 심층 분석은 세 번째 장에서 다루어진다. 이러한 독특한 특성 덕분에 단일 기판에 다수의 광자 결정을 통합하는 것은 다양한 응용 분야로의 가능성을 제공한다(네 번째 장). 본 논문에서 처음으로 제시된 응용 분야는 위조 방지 소자이다. 이 소자에서는 특정 외부 자극이 있을 때에만 무지개 색상의 숨겨진 기하학적 패턴이 나타났다. 또한, 색상 대비를 통해 변위를 측정하는 방법도 소개되었다. 다섯 번째 장에서는 금속의 얇은 막을 비접착성 및 접착성 나노입자 단층에 증착하여, 변위에 민감하게 변하거나 변화하지 않는 광자 결정을 선택적으로 제작하여 단일 소자로 통합하였다. 이를 통해 색상은 기계적 변위 센서 및 유해 화학물질 감지 소자로 효과적으로 사용할 수 있으며, 구조색이 갖는 고유한 특성인 각도 의존성을 극복하여 정확하게 측정할 수 있다. 여섯 번째 장에서는 위조 방지 스탬프를 위한 암호화된 광자 결정이 연구 및 시연되었다. 본 논문은 다기능 광자 결정을 제작하기 위한 경제적이고 유연한 기술을 제시했으며, 이는 실용적인 응용 분야의 광자 구조 발전에 광범위한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 키워드: 구조색, 광자 결정, 스트레스 센서, 위조 방지

Thick Flexible Electrode for High-Performance Flexible Batteries Enabled by Phase Separation and 3D Current Collector

Niguss Haregot Hatsey 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2023 국내박사

유연 배터리는 유연전자소자의 필수 에너지 저장 장치입니다. 고 에너지밀도 유연배터리를 달성하기 위해서는 두껍고도 유연한 전 극개발이 우선되어야 합니다. 그러나 유연성이 제한된 호일 집전 체에 깨지기 쉽고 전극 재료를 코팅하고 압축하는 기존 방법법으 로는 두꺼우면서 성능이 뛰어난 유연 전극을 제작하기는 어렵습 니다. 전기 화학적 성능을 손해보더라도 얇은 전극을 사용하여 유연성을 확보하는 추세입니다. 최근 기계적 유연성과 높은 이온 전도도를 갖는 전극 제작 공정으로 열 유도 상분리(TIPS) 공정이 보고된 바 있습니다. 본 논문에서는 TIPS 기반 전극을 강화할수 있는 새로운 섬유 3D 집전체를 설계하여 두껍고도 유연한 두꺼 운 전극을 개발하였습니다. 초유연 TIPS 기반 전극을 개발하기 위한 첫번째 시도로, 상분리를 유발하는 전극 재료인 바인더 (PVDF) 비율 (10, 20, 30, 40 wt%)의 효과를 최적화하였습니다. 바 인더 비율을 높이면 에너지 용량이 떨어지고 기공도가 낮아지지 만 유연성은 높아지는 것을 확인하였습니다. 높은 비용량 (180mAh·g-1)과 높은 변형 능력(35~75%, 필요치 5%보다 훨씬 높 음)을 감안하여 10 wt%와 20 wt%의 PVDF를 사용하여 유연하고 고성능의 전극을 제작할 수 있습니다. 이후, 최적의 바인더 비율 과 스테인리스 스틸(SS) 섬유 3D 집전체로 TIPS 기반 전극을 보 강하여 새로운 초유연성 두꺼운 전극을 제작하였습니다. SS 섬유 3D 구조는 전극/집전체 통합을 극대화하여 전기 전도도와 기계적 안정성을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 섬유 강화 전극은 이전 에 보고된 100-350 Wh·L-1의 유연 전극보다 훨씬 높은 500 Wh·L-1 의 높은 에너지 밀도를 얻었습니다. 뿐만 아니라 섬유 강화 전극 은 산업계에서 요구하는 값보다 훨씬 우수한, 13%의 높은 인장 변형률과 3 mm의 최소 굽힘 반경을 보였습니다. 또한 섬유 강화 전극은 3D 자유형 배터리에 적용 가능합니다. 기존 소재를 사용 하여 3D 자유형 배터리를 제작하는 것은 구조적 복잡성으로 인 해 어렵습니다. 이 연구에서는 복잡한 모양의 전극을 제작하고 3D 자유형 배터리를 성공적으로 시연하엿습니다. 확장성과 간단 한 제조 공정, 고성능, 유연성을 함께 고려할 때 이 접근 방식은 실용적인 유연한 배터리의 제약을 극복하는 데 유망합니다. Flexible batteries are an essential energy storage device for electronic flexible devices. To develop high energy density flexible batteries, thick flexible electrodes are required; however, it is difficult to develop high performance thick flexible electrodes based on the conventional methods. Conventionally, electrodes are fabricated by coating a fragile and compacted electrode materials on foil current collectors, with predetermined structure and limited flexibility. Because of this limitation, thin electrodes are used to sustain flexibility at small bending radius by compromising energy density. To overcome this, a special electrode fabrication method called thermally induced phase separation (TIPS) process is introduced recently. Fortunately, the TIPS process enables to fabricate ultra-flexible and porous electrode structure, achieving mechanical flexibility and high ion conductivity. In this thesis, a flexible thick electrode was developed by developing a new fiber 3D current collector that enables to reinforce the TIPS-based electrode. Initially, the TIPS-based electrode was optimized by investigating the effect of binder ratio, which was analyzed by choosing four polyvinylidene difluoride (PVDF) binder ratios (10, 20, 30, and 40 wt%). The result revealed that increasing binder ratio leads to poor capacity and low porosity, but enables high flexibility. Considering their high specific capacity (180 mAh·g-1) together with reasonable deformation capability (35 to 75 % strain), the electrodes with 10 and 20 wt% of PVDF are viable to fabricate flexible and high performance electrodes. Afterwards, a novel ultra-flexible thick electrode was fabricated by reinforcing the TIPS-based electrode using a new 3D current collector structure made of stainless steel (SS) fiber. The fiber 3D structure maximizes the electrode–current collector integration, benefiting mechanical stability and electronic conductivity. The fiber reinforced electrode attained maximum energy density (500 Wh·L-1), higher than that of the counterpart flexible electrodes (100-350 Wh·L-1). The fiber reinforced electrode also exhibited excellent flexibility, showing high tensile strain (13%) and small bending radius (3 mm), significantly higher than the industrial requirement. Moreover, the fiber reinforced electrode is applicable to make 3D free form batteries. Fabricating 3D free form batteries using the conventional materials is difficult due to structural complexity. In this study, complex shape electrodes were fabricated and 3D free-form battery was successfully demonstrated. Considering the scalability and facile process together with the high performance and flexibility, this approach is promising to overcome the constraints of practical flexible batteries. Key words: Lithium-ion-batteries, flexible batteries, thick flexible electrodes, 3D current collector, TIPS process.

고정밀 롤 투 플레이트 중첩 정렬 전사 기술 개발과 이를 활용한 마이크로 LED전사

윤성욱 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내박사

Micro-LED is a self-emissive device that can deliver vivid colors without the need for a backlight, providing high energy efficiency and exceptional durability, making it a highly regarded technology for next-generation displays. In particular, Micro-LED can achieve ultra-high-resolution displays by reducing pixel size and narrowing the pixel pitch, making it highly applicable in various fields such as mobile devices, TVs, augmented reality, and virtual reality devices. Chapter 1 explains the current status of Micro-LED transfer technology and the objectives of this study, discussing the key requirements of transfer technology needed for the commercialization of Micro-LED displays. This study developed and optimized a novel roll-to-plate transfer process to meet this requirement, enabling the mass transfer of Micro-LEDs quickly and accurately, serving as a significant breakthrough for commercialization. Chapter 2 describes the development process of the roll-to-plate transfer technique in detail, focusing on the critical variable of contact pressure between the roll and plate. Various experimental approaches and simulations were employed to determine optimal conditions for this parameter. Finite Element Analysis was used to analyze the contact area and transfer pressure, providing a model to ensure the stability of the transfer process. The roll-to-plate transfer process was analyzed to assess potential positional errors in both the machine direction (MD) and transverse direction (TD), and specific solutions were proposed to minimize these errors. Chapter 3 discusses the application of this roll-to-plate transfer technology in actual display fabrication. Furthermore, a roll stitching technique was developed for transferring Micro-LEDs onto a 7-inch transparent substrate, opening up possibilities for application in large-scale displays. During this process, a transfer yield of 99.78% was achieved, with the maximum positional error kept within 5 μm, demonstrating a high level of precision. This result is considered a significant achievement, advancing the mass production feasibility of Micro-LED displays and bringing commercialization closer to reality. In conclusion, this study presents several technological methods to improve the precision and stability of the roll-to-plate transfer process, which is expected to make a crucial contribution to the commercialization of next-generation Micro-LED display technology. Future research will aim to further enhance the speed and efficiency of the transfer process and expand the applicability to substrates of various sizes and shapes. Through this, Micro-LED technology is anticipated to be utilized in an even broader range of fields, securing an important position in the next-generation display market. 마이크로 LED는 자체 발광 소자로서 백라이트 없이도 선명한 색상을 구현할 수 있으며, 높은 에너지 효율성과 뛰어난 내구성을 제공하여 차세대 디스플레이 기술로 각광받고 있다. 특히, 마이크로 LED는 픽셀 크기를 줄이고, 픽셀 간 간격을 좁히는 방식으로 초고해상도 디스플레이를 구현할 수 있어, 모바일 기기, TV, 증강현실(AR), 가상현실(VR) 디바이스 등 다양한 분야에서 적용 가능성이 높다. 그러나 마이크로 LED 디스플레이의 상용화를 위해서는 수많은 마이크로 LED 칩을 기판에 정확하게 배치하는 고정밀 전사 기술이 필수적이다. 본 논문에서는 이러한 요구를 충족시키기 위해 롤 투 플레이트(Roll-to-Plate) 전사 공정을 새롭게 개발하고 최적화하였다. 이 공정은 롤 기반 시스템을 이용하여 마이크로 LED 칩을 대량으로 빠르고 정확하게 전사할 수 있는 기술로, 상용화에 있어 중요한 돌파구가 될 수 있다. 제1장에서는 마이크로 LED 전사 기술의 현황과 본 연구의 목표를 설명하고, 마이크로 LED 디스플레이의 상용화에 필요한 전사 기술의 주요 요건을 논의하였다. 제2장에서는 롤 투 플레이트 전사 공정의 개발 과정을 상세히 기술하였다. 롤과 플레이트 사이의 접촉 압력은 전사 공정의 핵심 변수로, 이를 최적화하기 위해 다양한 실험적 접근과 시뮬레이션을 통해 최적의 조건을 도출하였다. 유한요소해석을 활용하여 접촉 면적과 전사 압력을 정밀하게 분석하고, 이를 바탕으로 전사 공정의 안정성을 확보하는 모델링을 제시하였다. 또한, 롤 투 플레이트 전사 공정에서 발생할 수 있는 롤 진행방향 (MD) 및 수직 방향 (TD) 위치 오차를 정량적으로 분석하고, 이를 최소화하기 위한 구체적인 해결책을 제안하였다. 예를 들어, 롤과 스테이지의 선속도 동기화 시스템을 구축하여 MD 방향의 오차를 크게 줄였으며, 감압지를 이용한 초기 접촉 방법을 도입하여 TD 방향의 오차를 개선하였다. 제3장에서는 이러한 롤 투 플레이트 전사 기술을 실제 디스플레이 제작에 적용한 사례를 다루었다. 본 연구에서는 3.5인치 급 투명 마이크로 LED 디스플레이를 제작하는 데 성공하였으며, 이를 통해 기술의 실효성을 검증하였다. 더 나아가, 7인치 급 투명 기판에 마이크로 LED를 전사하기 위한 롤 스티칭 기술을 개발하여, 대형 디스플레이에 적용할 수 있는 가능성을 열었다. 이 과정에서 전사 수율은 99.78%에 이르렀으며, 전사 위치의 최대 오차는 5 μm 이내로 유지되는 높은 정밀도를 달성하였다. 이는 마이크로 LED 디스플레이의 대량 생산 가능성을 높이고, 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 성과로 평가된다. 결론적으로, 본 연구는 롤 투 플레이트 전사 공정의 정밀도와 안정성을 개선하는 여러 기술적 방법을 제시하였으며, 이를 통해 차세대 마이크로 LED 디스플레이 기술의 상용화에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 앞으로의 연구에서는 전사 공정의 속도와 효율성을 더욱 향상시키고, 다양한 크기와 형태의 기판에 대한 적용 가능성을 넓히는 방향으로 나아갈 것이다. 이를 통해 마이크로 LED 기술이 더욱 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것이며, 차세대 디스플레이 시장에서 중요한 위치를 차지할 것으로 예상된다. 주요 단어(Keyword) : 마이크로 LED, 전사 기술, 롤 투 플레이트 전사 기술, 롤 기반 직접 중첩 정렬, 전사 위치 오차

나노임프린트 공정 기술 및 기능성 소자 연구에 관한 연구

하연주 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내박사

Nanoimprint lithography is a process that uses a patterned stamp to transfer nano-sized patterns onto a substrate. Nanoimprint lithography has the advantage of relatively low cost for patterns fabrication and mass production. In this study, we applied nanoimprint lithogrpahy to silver nanowires for fabrication functional glass with high transmittance and low resistance. As a result of transferring the nanopattern stamp onto the surface of the silver nanowires, we confirmed that the surface resistance decreased from 160 Ω/sq to 90 Ω/sq. In addition, by using a mixture of silver nanowires and PMMA solution to transfer the nano pattern onto the substrate, we measured that the reflectance was lowered to below 60%, and confirmed that the surface became hydrophobic with a contact angle of 73°. Also, we studied to transfer patterns onto large-area substrates using a small stamp through a step and repeat lithography based on nanoimprint lithography. We transferred patterns onto substrates with sizes of 50 × 50 mm2 and 140 × 60 mm2 using a 10 × 10 mm2 stamp. During this process, we minimized the stitching gap to Lastly, we studied the liquid transfer imprint lithography to minimize residual layer and transfer nano patterns onto a curved substrate with a curvature radius of 80㎛. We reduced the residual layer thickness to 89 ㎚, and by attaching the stamp to a roll, we were able to uniformly transfer nano patterns onto curved substrate. Through this study, we confirmed that the nanoimprint lithography can be applied to functional glass devices with low resistance using silver nanowires. Also, we can transfer the nano patterns onto the large-area substrate uniformly. In addition, by effectively controlling the residual layer thickness and transferring the patterns onto curved substrates, it it expected that it can be used in the manufacturing of nest-generation electronic and optical devices, such as multi-layered sensors, smart lenses, and intraocular lenses, based on curved substrates. Key words : Nanoimprint lithography, silver nanowire, large-area substrate, residual layer, curved surface patterning 리소그래피는 마이크로 및 나노 크기의 패턴을 제작하기 위한 중요 한 공정 기술로 전자소자 산업에서 주로 사용된다. 리소그래피 공정은 사용되는 빛의 종류에 따라 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 레이 저 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등으로 구분된다. 나노임프린트 리소그래피는 패턴이 각인된 스탬프를 사용하여 기판 위에 마이크로 및 나노미터 크기의 패턴을 전사하는 공정이다. 이 공정 은 패턴을 제작하는 비용이 상대적으로 낮고 대량생산에 유리한 장점 이 있다. 또한 나노 패턴의 스탬프를 제작하여 수십 나노미터에서 수 나노미터 크기의 패턴을 제작할 수 있으며 사용되는 폴리머의 종류에 따라 UV 또는 열을 이용하여 기판에 패턴을 전사할 수 있다. 나노임 프린트 리소그래피는 단순한 패턴 제작뿐만 아니라 다양한 응용 분야 에서 활용할 수 있는 공정 기술이다. 본 연구에서는 나노임프린트 공정을 다양한 분야에 적용하는 연구 를 진행하였다. 고 투과도 및 저저항을 가지는 기능성 유리를 제작하기 위해 은나노 와이어에 나노 임프린트 공정을 적용하였다. 나노 패턴의 스탬프를 은나노 와이어 표면에 전사한 결과 표면저항이 160 Ω/sq에 서 94 Ω/sq으로 감소한 것을 확인하였다. 또한 은나노 와이어와 PMMA 혼합용액을 사용하여 나노 패턴을 기판에 전사한 결과, 반사율 이 60% 이하로 낮아졌고 73°의 접촉각 측정으로 표면이 소수성으로 변했음을 확인할 수 있었다. 또한, 나노임프린트 리소그래피 기반의 step and repeat 리소그래피 공 정을 이용하여 작은 스탬프를 사용하여 대면적 기판에 패턴을 전사하 고자 하였다. 본 연구에서는 10 × 10 mm2 크기의 스탬프를 이용하여 50 × 50 mm2 및 140 × 60 mm2 크기의 기판에 패턴을 전사할 수 있 었고 그 과정에서 발생하는 스티칭 갭을 10 ㎛ 크기로 최소화하였다. 마지막으로 나노임프린트 리소그래피 기반의 용액 전사 리소그래피 기술을 이용하여 공정 중 잔류층의 두께를 줄여 후속 공정이 필요하지 않아 시간과 비용을 절약하고자 하였다. 용액 전사 리소그래피는 스탬 프에 일정 압력을 가하여 레지스트를 스탬프로 옮겨와 원하는 기판 위 에 나노 패턴을 전사하는 방법이다. 이 과정에서 초기 레지스트 코팅 두께보다 얇은 두께로 기판에 패턴 전사가 가능하다. 이번 연구에서는 이러한 과정으로 잔류층의 두께를 89 ㎚로 줄일 수 있었고 스탬프를 롤에 부착하여 공정을 진행한 결과 곡률반경 80 ㎛의 렌즈 기판 위에 나노 패턴을 균일하게 전사시킬 수 있었다. 이번 연구를 통해 나노임프린트 리소그래피 공정이 다양한 전자소 자에 응용될 수 있음을 확인하였다. 특히 은나노 와이어를 활용하여 저 저항 특성을 갖는 기능성 유리 소자로의 응용 가능성을 제시하였으며, 다양한 패턴을 구현하여 대면적 기판에 정밀하게 패턴을 전사할 수 있 음을 입증하였다. 또한 잔류층 두께를 효과적으로 조절하고 곡면 기판 에 패턴을 전사함으로써 다층 구조의 센서, 스마트 렌즈, 인공 수정체 와 같은 곡면 기판 기반의 차세대 전자소자 및 광학소자 제조에 활용 될 수 있을 것으로 기대된다. 주요 단어(Key words) : 나노임프린트 리소그래피, 은나노 와이어, 대 면적 패턴 전사, 잔류층, 곡면 패턴 전사

펨토초 펄스 레이저 기반 SiC 웨이퍼 박막화 연구

윤하영 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내석사

Silicon carbide (SiC) is a critical material for power semiconductor applications due to its wide bandgap, high breakdown electric field, and excellent thermal conductivity, making it suitable for high-voltage and high-frequency applications. However, its high hardness and brittleness pose challenges to conventional thinning processes, such as diamond wire cutting, which often cause surface cracks and chipping. To address this, a near-infrared femtosecond laser was used to selectively process SiC wafers internally, minimizing surface damage and enabling the formation of a modified layer. The effects of laser output and scan pitch on the internal structure and surface quality were analyzed. Higher laser output increased processing depth, while narrower Pitch improved uniformity and separation quality. Tensile testing revealed a minimum tensile strength of 0.47 MPa for peeling, and the average surface roughness was 0.68 μm, demonstrating the capability of femtosecond lasers to achieve high-quality processing. While narrower Pitch yielded better quality, it increased processing time. Future research will focus on optimizing scan spacing and alternative methods to balance quality and efficiency, enhancing SiC wafer manufacturing for power semiconductor applications. 실리콘 카바이드(SiC)는 넓은 밴드갭, 높은 항복 전기장, 우수한 열전도성과 같은 독특한 물리적 특성으로 인해 고온, 고전압 환경에 서의 전력 반도체 응용에 중요한 소재로 활용되고 있습니다. 그러나 높은 경도와 취성으로 인해 기존의 기계적 박막화 공정은 품질과 효율성에서 한계를 보이며, 이를 개선하기 위한 새로운 공정 개발이 필요합니다. 본 연구에서는 근적외선 펨토초 레이저를 활용하여 SiC 웨이퍼 의 박막화를 구현하고자 하였습니다. 레이저 출력과 스캔 간격 등 다양한 가공 조건이 SiC의 내부 구조와 표면 품질에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 통해 SiC 내부에서 비정질 상태의 실리콘(Si)과 탄소(C)로 분리되는 분리층을 형성하였습니다. 실험 결과, 레이저 출력이 증가함에 따라 가공 깊이가 조절 가능 하며, 스캔 간격을 좁히면 균일한 분리면과 높은 품질의 가공 결과 를 얻을 수 있음을 확인하였습니다. 인장 시험 결과, 최소 0.47 MPa의 인장력으로 SiC 웨이퍼가 성공적으로 분리되었으며, 공초점 현미경 분석을 통해 평균 표면 거칠기가 최소 0.68 μm로 나타나, 펨토초 레이저 기반 공정의 우수한 가공 품질을 확인할 수 있었습 니다. 본 연구는 SiC 박막화 공정에서 레이저 출력과 스캔 간격의 최 적화를 통해 품질과 효율성을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시합니 다. 향후 연구에서는 스캔 간격을 넓히면서도 가공 품질을 유지하거 나 공정 시간을 단축할 수 있는 방안을 모색하여, SiC 박막화 공정 의 실용화를 위한 추가 실험을 진행할 계획입니다.

Research on the Plasma Scrubbers for Semiconductor Display Process Gas Treatment

조동현 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2024 국내박사

Enhancing Lithium?Sulfur Battery Performance through Innovative Host Material Design and Electrode Architecture

Nguyen Viet Phuong 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2024 국내박사

Development of Compact, High - Speed Optical Scanning Heads for Laser Surface Cleaning : Development of a Compact High-Speed Scanning Head for surface cleaning applications

My Ha Hoang 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내박사

Experimental study of cryogenic heat exchanger and ortho-para hydrogen conversion for liquid hydrogen supply chain

김보겸 과학기술연합대학원대학교 한국기계연구원(KIMM) 2025 국내박사

전 세계적으로 지구 온난화로 인한 기후 문제가 가속화되면서 화석연료를 대체할 무탄소 에너지원인 수소와 대용량 수소 공급시스템에 대한 관심이 커지고 있다. 이에 액체 수소는 에너지 저장 밀도가 높고, 대기압 조건에서 저장, 운송이 가능하고, 높은 안정성을 가지기 때문에 대용량 수소 공급을 위한 최적의 방법으로 거론되고 있다. 액체수소기반 공급 시스템에서 열교환기는 초기 극저온 수소 액화과정 그리고 수소 충전소에서 액체수소 기화과정에서 활용된다. 각각의 과정에 적용되는 열교환기를 설계하기 위해서는 열전달, 압력 강하 성능 분석, 그리고 극저온 조건의 열교환기 내부에서 발생하는 상황들(오쏘-파라 변환, 동결 현상)에 대한 실험적 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 1) 극저온 수소 액화용 플레이트 핀형 열교환기의 열전달, 압력 강하 성능 2) 극저온 수소 액화과정 중 발생하는 오쏘-파라 수소 변환 과정 3) 액체수소 기화용 인쇄기판형 열교환기의 내부 동결 현상에 대한 연구를 수행하였다. As global warming continues to accelerate climate change worldwide, interest in hydrogen as a carbon-free energy source—along with its large scale supply chain—is increasing. Among several candidates, liquid hydrogen is considered one of the most promising solutions for large-scale supply chain due to its high gravimetric and volumetric energy densities and the safety for storage and transportation in low-pressure. In liquid hydrogen-based supply chains, heat exchangers serve a critical role in both the cryogenic cooling process at liquefaction plants and the vaporization stage at hydrogen refueling stations. To design heat exchangers suitable for these processes, experimental studies are required on thermal and hydraulic performance, as well as on cryogenic-specific phenomena such as ortho-para hydrogen conversion and freezing. The purpose of this study is to investigate: (1) the thermal and hydraulic performance of plate fin heat exchangers under cryogenic conditions, (2) ortho-para hydrogen conversion during the cooling process, and (3) freezing phenomena occurring in the hot channels of printed circuit heat exchangers during vaporization.