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.

실공간 자성이미징기법을 이용한 새로운 스커미온물질에서의 스커미온연구

정주영 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 \textit{Q} = 1 (중심의 자성 방향이 +\textit{n}$_{z}$인 경우) 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10$^{-6}$) 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. \\ \indent 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)소용돌이형태의 스핀구조체인 스커미온은 위상학적인 성질을 갖는 준입자이다. 이 위상학적 성질은 스커미온 넘버라고도 불리는 위상학적 전하 Q에 기인하며 스커미온은 Q = 1 (중심의 자성 방향이 +nz인 경우 을 만족한다. 이로 인해 스커미온은 일반적인 자기구역벽(magnetic domain wall)에 비해 백만 배 낮은 (10^-6( 전류로 움직일 수 있으면서도 매우 안정한 구조를 갖는다. 또한 스커미온은 나노미터 크기로 2차원상에 존재하며 일반 전류보다 뛰어난 스핀분극전류 반응성을 보인다. 이러한 성질들은 스커미온에게 차세대반도체와 스핀트로닉스소자 등으로 응용될 수 있는 뛰어난 가능성을 준다. 스커미온이 생성되는 물질에 따라 스커미온의 종류, 온도, 크기, 구동전류 등이 달라지는데, 이 중 응용에 가장 중요한 항목은 온도이다. 응용은 상온에서 이루어져야 하기 때문이다. 그러나 스커미온 연구 초반부의 유일한 스커미온 물질이었던 B20 카이랄 자성체(chiral magnet)들은 모두 상온보다 낮은 퀴리온도(Tc)를 가졌다. 이는 2015년에 발견된 Co-Zn-Mn을 제외하면 지금까지도 동일하다. 퀴리온도가 상온보다 낮다는 것은 상온에서 스커미온이 존재할 수 없다는 것을 의미하며 이는 응용에 매우 불리한 요소이다. 뿐만 아니라 응용을 위해서는 B20 카이랄 자성체라는 특별한 물질을 넘어 일반적인 구조의 더 많은 물질에서 스커미온을 발견해야 했다. 따라서 본 연구는 스커미온의 응용을 위해서 기존의 B20 카이랄 자성체보다 퀴리온도가 높은 물질이 많은 중심대칭성 자성체(centrosymmetric magnet)와 다층박막(multilayer)을 스커미온 물질로 선택하였다. 먼저 중심대칭성 자성체인 bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) 에서 MFM을 이용하여 스커미온 혹은 스커미온의 전조(precursor)로 보이는 자성구조체를 발견하였다. 또한 자기장을 올렸다가 내리며 수지상(dendrite) - 스커미온 - 포화(saturation) - 스커미온 - 수지상의 전이(transition)와 리버서블(reversible) 거동을 관찰하였고, 온도를 내리며 spin reorientation transition (SRT)을 관찰하였다. 이 결과는 당시 2개 밖에 없던 중심대칭성 자성체의 스커미온(예비)물질을 추가로 발견하고 in situ로 온도와 자기장을 바꾸며 LSMO에서는 최초로 dendritic전이와 SRT의 중간과정을 관찰하였다는 의미가 있다. 또한 Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru 다층박막 물질에서 자기장과 온도의 in situ LTEM 관찰을 통해 423 K - 733 K 에서 Néel-type 스커미온이 안정적인 초고밀도 상태로 존재하는 것을 발견하였고 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 이를 검증하였다. 본 연구에서 보인 다층박막물질 Néel-type 스커미온의 뛰어난 온도안정성은 국부적으로 가열이 일어날 수 있는 스커미온 디바이스 등의 응용에 긍정적으로 작용한다. 또한 초고밀도 스커미온 상의 응용이나 박막의 구성변화를 통해 초고밀도 스커미온상을 상온까지 내리는 등의 추가연구도 기대할 수 있다. 다음으로 실생활에 많이 쓰이는 영구자석인 중심대칭성 자성체 Nd2Fe14B에서 필드쿨(field cooling)을 이용하여 새로운 형태의 스커미온과 스커미오닉버블을 발견하고 그 성질을 살펴보았다. 단축비등방성(uniaxial anisotropy)은 스커미온의 형성을 억제한다고 알려져 있기 때문에, 강한 단축비등방성을 갖는 강한 자석(hard magnet)인 Nd2Fe14B에서 스커미온이 나온 것은 놀라운 일이다. 일반적인 스커미온은 선형(stripe) 도메인에서 자기장을 올리며 생성되는데 Nd2Fe14B에서는 이 방법으로 스커미온이 생성되지 않았고 특정 자기장범위(0.15 - 0.20 T)의 필드쿨을 통해서만 생성되었다. 그리고 온도를 계속 내리면 스커미온이 스커미오닉 버블로 상전이하였다. 발견한 스커미온은 기존의 스커미온과는 다르게 쉘이 둘러싸고 있었고, 반대방향의 helicity가 함께 공존하였으며, 열적 요동에 의해 반대 helicity로 바뀌는 helicity reversal이 관찰되었다. 스커미오닉 버블은 넓은 온도와 자기장 범위(295-565 K, 0-0.98 T)에 존재하였는데, 그 형태가 자기장과 두께에 민감하게 변하였다. 본 연구는 스커미온이 나오지 않을 것으로 생각되던 물질을 스커미온 물질에 추가하였을 뿐만 아니라 스커미온이 나오지 않던 물질에서 필드쿨을 활용하여 스커미온을 발견할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 또한 필드쿨의 조정을 통해 완전히 다른 자성 특성을 보이게 한 것은 스커미온 분야를 넘어 다른 자성분야에도 적용될 수 있다. 마지막으로 상온에서 스커미오닉 버블에 전류를 인가하여 움직이게 하였다. 스커미오닉 버블은 위상학적 전하가 0 이기때문에 스커미온처럼 작은 전류로 움직일 수 없다고 알려져 있다. 하지만 시편에 두께 기울기(thickness gradient)를 주어서 스커미온과 비슷한 크기의 매우 작은 전류(~10^9 A/m^2)로 움직이게 하였다. 이는 스핀전달토크(spin transfer torque)가 작용한 것이 아니라 시편의 형상학적 효과와 전류에 의한 Joule heating이 결합하여 생긴 새로운 현상으로, 스커미오닉 버블의 움직임을 통한 응용 또는 스커미온의 구동전류를 줄이는데 활용될 수 있다. Vortex-shaped spin structures, also known as skyrmions, are quasi-particles with topological properties. These properties are caused by the topological charge Q, or the skyrmion number, which satisfies Q = 1 for a core magnetization of +nz. Owing to their topological properties, skyrmions possess a stable structure and can move at an electric current that is significantly lower (10-6) than that of a conventional domain wall. Moreover, skyrmions exist in 2D at a nanometer scale and exhibit excellent reactivity to spin-polarized currents compared with normal currents. Owing to the aforementioned properties, skyrmions have excellent potential for application in next-generation semiconductors and spintronics. Depending on the host material, the type, temperature, size, and driving current of a skyrmion can change. Among these, the most important factor is temperature, as skyrmions are mainly used at room temperature (RT). However, B20-structured chiral magnets, which are the existing host materials, exhibit a Curie temperature (Tc) that is lower than RT. If Tc is lower than RT, skyrmions cannot exist at RT, which makes its application extremely difficult. In addition, to assist the application of skyrmions, it is necessary to determine host materials with general structures that differ from that of B20-structured chiral magnets. Therefore, I selected centrosymmetric magnets and multilayers as host materials as their Tc is higher than that of conventional host materials, i.e., B20 chiral magnets. First, I discovered a skyrmion or skyrmion precursor in a centrosymmetric magnet bilayer La2-2xSr1+2xMn2O7 (x=0.32) (LSMO) using magnetic force microscopy (MFM). In addition, the transition and reversible behaviors of dendrite-skyrmion-saturation-skyrmion-dendrite were observed by raising and reducing the magnetic field. Moreover, a spin reorientation transition (SRT) was observed when the temperature was reduced. These results are significant as I observed the process of the dendritic transition and SRT for the first time in LSMO and discovered new candidates for skyrmion-hosting centrosymmetric magnets. In Pt/Co/Ru/Pt/CoFeB/Ru multilayer films, using in situ Lorentz transmission electron microscopy (LTEM), it has been found that Neel-type skyrmions exist in a stable ultra-high-density state at 423–733 K. This phenomenon has been verified by Monte Carlo simulations. The excellent temperature stability of Neel-type skyrmions in multilayer films is beneficial for skyrmion devices that can be heated locally. In addition, further research is expected for other possible applications, which may help reduce the temperature of ultra-high-density skyrmion states. Next, I discovered new types of skyrmions and skyrmionic bubbles in the centrosymmetric permanent magnet Nd2Fe14B by field cooling (FC) and investigated their properties using LTEM. As uniaxial anisotropy suppresses the formation of skyrmions, it is remarkable to observe skyrmions in Nd2Fe14B—a hard magnet with high uniaxial anisotropy. In general cases, skyrmions are generated by raising the magnetic field in the stripe domain. However, this is not the case for skyrmions in Nd2Fe14B. The only way to generate skyrmions is through FC within the range of 0.15–0.20 T. As the temperature decreases, skyrmions become skyrmionic bubbles. Unlike conventional skyrmions, the skyrmions in Nd2Fe14B are surrounded by a shell and coexist in opposite helicities. Moreover, a helicity reversal is observed, in which the skyrmions in opposite helicities are reversed without any manipulation. These skyrmionic bubbles exist in a wide range of temperatures and magnetic fields (295–565 K, 0–0.98 T). Further, it is experimentally confirmed that the properties of skyrmionic bubbles are significantly affected by magnetic field and thickness. These discoveries in Nd2Fe14B indicate that a hard magnet can be added to a new skyrmion-hosting material and skyrmions can appear in various materials using the FC method. In addition, the FC method, which can modify magnetic properties by varying the small FC field, can be applied to other magnetic studies beyond skyrmions. Finally, a current was applied at RT to move skyrmionic bubbles in Nd2Fe14B. Unlike skyrmions, a skyrmionic bubble cannot move with a small current as its topological charge is zero. However, by introducing a thickness gradient into the specimen, I successfully made the skyrmionic bubbles move at a small current of ~109 A/m2. Instead of spin-transfer torque, the combination of Joule heating based on the specified current and the geometric effect of the specimen will affect the motion of the skyrmionic bubbles.

Learning to Generate Synthetic Classes for Deep Metric Learning

이경문 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내석사

심층 거리 학습은 학습 중에 보지 못한 클래스라도 데이터 간의 거리가 클래스의 관계를 반영하는 임베딩 공간을 학습하는 것을 목표로한다. 그러나 학습 때 사용 가능한 클래스의 수는 제한되고 이는 모델의 일반화를 방해한다. 이에 따라 우리는 새로운 클래스와 해당 클래스의 임베딩 벡터를 생성하는 새로운 데이터 증대 방식을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 학습 데이터셋에서는 사용할 수 없는 새로운 클래스로 학습 데이터셋을 보강하여 임베딩 모델로 하여금 풍부한 의미적 정보를 제공하여 모델의 일반화를 개선한다. 우리는 제안하는 아이디어를 조건부 생성 모델을 학습함으로써 구현하며 이는 클래스 정보와 랜덤 노이즈를 입력으로 받아 임베딩 벡터를 생성한다. 제안하는 생성기는 실제와 유사하고 또 다양한 클래스를 보강하여 프록시 기반의 손실 함수로 하여금 더 풍부한 클래스 간의 관계를 활용하여 테스트 타임 때의 한번도 보지 못한 클래스 데이터에 대한 일반화를 개선한다. 또한 본 논문은 제안하는 방법이 프록시 기반의 손실 함수의 성능을 분명히 향상 시킨다는 것을 증명한다. Deep metric learning aims to learn an embedding space where the distance between data reflects their class equivalence, even when their classes are unseen during training. However, the limited number of classes available in training precludes generalization of the learned embedding space. Motivated by this, we introduce a new data augmentation approach that synthesizes novel classes and their embedding vectors. Our approach can provide rich semantic information to an embedding model and improve its generalization by augmenting training data with novel classes unavailable in the original data. We implement this idea by learning and exploiting a conditional generative model, which, given a class label and a noise, produces a random embedding vector of the class. Our proposed generator allows the loss to use richer class relations by augmenting realistic and diverse classes, resulting in better generalization to unseen samples. Experimental results on public benchmark datasets demonstrate that our method clearly enhances the performance of proxy-based losses.

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.

전자파 산란 해석 기법의 가속화 연구 : Acceleration of Electromagnetic Wave Scattering Analysis

박강국 포항공과대학교 일반대학원 2011 국내박사

This dissertation mostly deals with some algorithms for accelerating of electromagnetic wave scattering analysis for a large system. Electromagnetic scattering analysis techniques for RCS prediction can be categorized into the low frequency method and the high frequency method, according to the size of the scatterer with respect of the operating frequency. Low frequency method such as method of moments (MoM) can provide an accurate solution of scattering from complex targets. MoM can provide an accurate solution. But when using the MoM, the memory requirements and calculation time increase with increasing size of the scatterers. To overcome this problem, the fast multi-pole method (FMM) was developed. In this dissertation, first of all, MoM which is low frequency method is presented. And demerits of MoM are presented. So to improve of calculation time of this method, it is formulated fast multi-pole method (FMM). But in spite of accelerating calculation time of MoM, electromagnetic wave scattering analysis for a large system has still the problem of calculation time and memory. To overcome this problem, in this research we use the high frequency method. High frequency method such as geometrical optics (GO) and physical optics(PO) can provide fast and robust solutions of scattering from electrically large and complex targets. This two methods are impossible to analyze multiple bouncing scattering mechanism for a large system. The shooting and bouncing rays method (SBR) based on high frequency method is one of the most popular and novel approaches to calculating multiple scattered fields. Calculation of RCS using SBR requires tracing of GO rays modeled as an incident plane wave. But huge amount of computation time is needed to trace each ray, and the total time increases rapidly with the electrical size of the target and the number of patches composing the target. To overcome this drawback, several division algorithms are introduced and new calculation algorithms using combination of ray tracing and division algorithms can be reduced the computation time. So a new algorithm to calculate multiple scattering terms using SBR method is discussed. To accelerate ray tracing for RCS prediction, deterministic ray tracing (DRT) is introduced. When we use this method, the number of intersection checks can be decreased. By applying the proposed algorithm, the ray tracing in the SBR method is accelerated. The proposed algorithm has been verified by comparing the results for complex targets with measurement in the viewpoint of accuracy. To estimate efficiency of the proposed method, total CPU times were measured as the number of patched used to construct the two targets increases. 본 논문은 전자파 산란 해석의 가속화를 제안하는 것이다. 일반적으로 전자파 산란 해석을 위해서 제안된 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 산란체의 크기와 해석할 파장의 크기를 비교하여, 충분히 파장에 비해 산란체의 크기가 크게 되면 고주파 기법을 사용하고 되고, 산란체의 크기가 충분히 크지 않으면 저주파 기법을 사용하게 된다. 두 방법에는 서로 장단점이 있다. 저주파 기법은 정확한 해를 얻고, 해석할 구조물의 제약을 크게 받지 않는다. 그렇지만, 산란체의 크기가 커짐에 따라 해석 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 그에 비해 고주파 기법은 산란체가 크더라도 빠른 해석 결과를 얻는 장점이 있다. 반면, 저주파 기법에 비해 정확한 해를 얻지 못하는 단점이 있다. 그렇지만 함정과 같이 파장에 비해 크기가 매우 크고, 복잡한 구조물에 대한 전자파 산란 (레이더 단면적 - Radar Cross Section : RCS) 해석을 수행할 때는 빠른 시간 내에 비교적 정확한 해를 제공하는 고주파 기법을 널리 이용하게 된다. 특히 물리광학법 (PO)과 물리광학적 회절기법 (PTD)은 복합 구조물의 RCS를 예측하는데 가장 빠른 산란 해를 제공한다. 그렇지만 이 두 방법은 1차 산란 해만을 제공하게 된다. 함정과 같이 크기가 크고, 복잡한 구조물에서 발생하는 주요 산란 방식은 1차 산란 뿐만 아니라, 2~3차 이상의 다중 산란 효과가 내포되어 있다. 이와 같은 다중 산란 효과를 해석하기 위해서는 앞의 두 방법인 물리광학법과 물리광학적 회절기법으로는 불가능하다. 다중 산란, 즉 다중 반사 해석을 위해 많은 기법들이 연구되었고, 그 중 기하광학법 (GO) 및 물리광학법 기반의 광선 추적법 (Shooting and Bouncing Rays : SBR)은 가장 정확한 해를 제공하는 기법이다. SBR 기법은 입사되는 전자파를 작은 광선 다발로 모델링하여 각각의 광선 다발을 추적하는 방법이다. 이 때 광선 다발로 모델링할 때 파장의 10분의 1의 크기로 쏜다. 그리고 Snell 법칙을 이용하여 이 광선 다발을 추적하게 되고, 이 추적한 광선 다발이 최종적으로 해석 방향으로 향할 때 PO적분을 하게 된다. 하지만 SBR기법에는 치명적인 결함이 있다. 그것은 표적의 크기가 파장에 비해 커질 때, 즉 실제 함정 같은 매우 큰 구조물 일 때, 초기 광선 격자 다발의 수와 각각의 광선 다발과 구조물을 이루는 평판의 교점 테스트의 횟수가 기하 급수적으로 증가하기 때문에 상당한 CPU 계산 시간이 요구되는 단점이 있다. SBR의 계산 시간을 증가시키는 요인의 앞에서 언급했듯이 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 초기 광선 격자의 수다. 일반적인 SBR 기법은 초기 광선 격자의 수가 파장 및 표적의 크기에 비례하여 증가하게 된다. 이 문제를 해결하기 여러 가지 방법이 제시되었으며, 그 중 입사 광선을 해석하고자 하는 구조물의 형상에 따라 효율적으로 분할하는 다중 해상도 SBR (Multi-resolution SBR : MSBR) 기법은 정확하며 어느 정도 빠른 예측 결과를 보여줍니다. 그렇지만 여기에도 단점이 있다. 산란체의 모양이 복잡할수록 구성하는 패치의 크기도 점점 작아지게 된다. 그렇게 되면 MSBR의 기법에서도 초기 광선 격자의 수가 일반적인 SBR에 비해서는 적을 찌라도 늘어나는 단점이 있다. 또한 광선 격자의 분할 방법을 수행할 때 시간이 많이 걸리는 단점이 있다. 두 번째 요인은 각각의 광선 격자와 표적을 이루고 있는 평판의 교차 테스트다. 구조물을 구성하는 패치의 수가 증가하면 각각의 광선의 격자가 어느 패치에 교차하는지 테스트하는 과정 또한 패치 수만큼 늘어나게 된다. 즉 계산량이 많아지므로 계산 속도를 저해하는 요인이 된다. 이를 해결하기 위해서 2가지 방법이 있는데, 첫 번째는 이미 POSTECH EMLAB에서 개발한 Octree 구조를 이용한 예측 기법이다. 이미 정확하고 빠른 해석 결과를 보여주었다. Octree 구조는 컴퓨터 그래픽스 학문에서 널리 사용되고 있는 광선 추적 알고리즘으로 공간을 해석 구조물에 맞게 효과적으로 분할하는 방법이다. 두 번째는 본 논문에서 제안한 방법인데, 구면 좌표계의 각도를 사용하여 진행 공간을 분할하는 방법이다. 이 방법은 기준 패치(즉 하나의 광선 다발이 맞는 시점에서의 패치를 의미)에서 상대 패치로 향하는 공간을 미리 나누고, 기준 패치를 기점으로 상대 패치들이 이 나눠진 공간 상에 어디에 분포하는지 미리 배열로 만들어 놓는 방법이다. 이를 통해 기준 패치에서 나가는 하나의 광선 다발이 산란체를 구성하는 모든 패치에 대해서 교차 테스트를 하는 것이 아니라 분포 배열 (Distribution Information Table : DIT)내의 패치들만 교차 테스트를 하게 된다. 즉 모든 패치가 아닌 배열에 저장된 상대 패치들만 비교하면 되므로 계산 속도가 향상되게 된다. 본 논문에서는 제안한 방법 외에 두 가지 방법을 더 적용하여 기존의 방법에 비해 계산 속도가 향상된 방법을 구현한 코드를 제시했다. 제안했던 알고리즘은 기준 패치에 대해서 다중 반사가 일어날 가능성이 있는 모든 패치를 배열에 저장하게 된다. 그렇게 되면 배열의 크기가 상대적으로 커져서, 그 배열을 체크하는 시간 또한 오래 걸리게 된다. 이 배열 크기를 줄이기 위해서 위협 각도 (Cr

Investigation on Thermal Stability of Metal-Interlayer-Semiconductor Contacts Using Carbon Implantation

이동훈 포항공과대학교 일반대학원 2022 국내석사

Effects of carbon implantation (C-imp.) on the thermal stability of MIS (Metal-Interlayer-Semiconductor) contact were investigated. The experiment was conducted on both Si and Ge substrates. To improve the thermal stability in MIS contact, C-imp. into MIS structures was applied. The current density (J) - voltage (V) characteristics showed that C-imp. changed the rectifying behavior to the ohmic-like behavior. The Schottky barrier height (SBH) was also reduced by the C-imp. These improvements can be beneficial to reduce the lower contact resistivity (ρc) with the rapid thermal annealing (RTA) temperatures ranging from 450 to 600 ℃. From the transmission electron microscopy (TEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS) mapping, the MIS contact with C-imp. showed the suppression of oxygen diffusion into Ti layer. From the secondary ion mass spectrometry (SIMS) analysis, the segregation of P dopant at the interface was more facilitated with C-imp.. Thus, the C-imp. is promising to improve the thermal stability and to realize low contact resistivity of MIS contact.

금속 미세유체 반응시스템 기반 단수명 중간체의 반응 시간 제어에 의한 고속합성화학

이현재 포항공과대학교 일반대학원 (화학공학과) 2019 국내박사

이 논문은 금속 미세유체 반응시스템에서 정밀한 반응시간 제어를 통해 불안정한 중간체를 활용한 고속 합성 화학과 그의 응용에 관한 연구 결과이다. 미세유체 반응기를 활용한 연속 흐름 공정은 미세 채널의 고유한 특성 (높은 표면 대 부피 비율) 때문에 매우 효율적이고 빠른 열/물질 전달 및 높은 혼합효율을 쉽게 달성할 수 있게 해주며, 이러한 장점들 때문에 제약 산업뿐 아니라 유기 합성 연구 분야에서도 최근 수년 동안 합성 공정의 강력한 무기로 주목 받고 있다. 유명 제약 회사 및 화학 합성 회사들은 실질적인 공정 운영에 직접적으로 도입하여 독성 및 폭발성 있는 고위험군 물질의 합성 또는 고부가 가치 화합물의 생산 시스템을 개발하고 있다. 미세 유체 반응기 내에서의 반응 시간은 반응기 내부 유체의 체류 시간으로 정의할 수 있으며, 이는 반응물(reagent)의 유입구로부터 반응 종료 물질(quenching agent)의 유입구까지의 반응 채널 길이의 조절 및 유체의 유속 제어로 아주 정밀하게 조절될 수 있다. 이러한 반응 시간 및 반응 조건의 정밀한 제어는 기존 초자 반응기로는 구현이 불가능한 불안정한 반응 중간체의 제어 및 활용을 가능케 하였을 뿐만 아니라, 새로운 유기 합성 화학 메커니즘 연구 및 합성 루트 연구 분야에도 큰 영향을 끼쳤다. 따라서 본 연구에 구성된 장(chapter)에서는 금속 미세유체 반응기를 활용하여 기존 플라스크 반응에서는 구현하기 어려운 다양한 불안정한 유기금속 반응 중간체를 생성하고, 이들을 활용해 다양한 물질을 합성하는 응용 연구 및 개발 기술을 다루고자 하였다. 첫 번째 장에서는 기존 플라스크 반응과 마이크로 반응기를 활용한 연속흐름 공정의 비교를 통해 마이크로 반응의 장점 및 특징에 대해 다루고, 정밀한 반응 시간 제어를 통한 고속합성화학으로의 확장에 대하여 정리하였다. 그리고, 최근 3D 프린팅 방식을 활용한 미세유체 반응기를 제작하는 추세에 대하여 소개하였다. 두 번째 장에서는 미세유체 반응기를 통해 활성 시간이 매우 짧은 o-리티오페닐아이소싸이오시아네이트 중간체를 생성하고 분리단계 없는 통합 미세유체 반응을 통해 생물학적으로 약리 활성을 갖는 치오퀴나졸리논의 합성에 대하여 기술하였다. 체류시간을 16밀리초로 제어하여 반응 중간체의 분해 전에 연속적 합성에 활용하였고, 전체 3단계의 연속 반응을 10초 이내의 짧은 시간동안 다양한 치오퀴나졸리논 유도체를 높은 수율 (75~85%)로 합성하였다. 뿐만 아니라 미세유체 반응 시스템의 일반적인 개념을 벗어난 그램 스케일의 합성을 시도하여, 실제 구동 시간 5분동안 1.25 g의 치오퀴나졸리논 화합물을 합성할 수 있었다. 세 번째 장에서는 그라파이트 특성의 특유의 성질과 탄소나노튜브의 상향 합성 가능성으로 많은 관심을 받는 기능성 탄소 재료인 사이클로파라페닐렌 (CPP)의 새로운 합성 공정의 개발에 대하여 기술하였다. 일반적으로 총 수율 20% 미만의 9단계 이상 반응 스텝이 필요한 탄소 재료 CPP의 새로운 합성법을 유체 반응기의 도움을 받아 개발하였다. 2단계의 유체 반응을 통해 68%의 높은 수율로 CPP의 전구체 합성에 성공하였으며, 두 개의 키톤을 가지는 화합물과 유기 리튬의 고혹 혼합을 통해 선택적인 첨가 반응을 구현할 수 있었다. 총 4단계만을 필요로 하는 보고된 공정 중 가장 간단한 CPP 합성법을 개발 할 수 있었다. 네 번째 장에서는 미세 유체 반응을 통해 3개의 반응 중간체를 경유하는 이성질화 반응의 제어를 통한 선택적 합성법의 개발에 대하여 기술하였다. 화학적 선택성의 통제는 화학 합성에 있어 중요한 문제들 중 하나이다. 다수의 이성질화가 일어나는 경우, 일반적으로 다중 매개체의 생성으로 인해 높은 선택성을 제어하기 어렵다. 유체 반응기 내에서 불안정한 반응 중간체의 두 번의 이성질화 반응을 정밀한 시간을 제어를 통해 각각의 이성질체를 선택적으로 합성할 수 있었다. 다양한 치환체를 가지는 4가지 기질에 따른 이성질화 반응 속도를 연구하였고, 다양한 친전자체와 반응을 통해 다양한 이성질체를 선택적으로 합성하였다. 또한 이성질화 반응의 제어를 통해 두 가지 친전자체를 동시에 도입 가능한 합성법을 개발하였다. 다섯 번째 장에서는 연속적 유체반응 공정을 통해 이부프로펜의 합성에 대하여 기술하였다. 이부프로펜의 3단계 흐름 합성 공정을 바탕으로 LICKOR 타입의 superbase를 사용하여 벤질 음이온 중간체의 생성을 달성하고, 정밀하게 제어할 수 있었다. 파라 자일렌을 시작물질로 superbase를 활용하여 연속적 메틸화, 아이소프로필화, 이산화탄소와의 단계 반응을 통해 이부프로펜의 합성 기술을 개발하였다. 반응 공간 조절 및 유속 제어를 통해 혼합 효율 및 반응 시간을 제어하였고, 농도, 용매, 염기의 조합 등 다양한 반응 조건 및 반응 온도, 시간을 100여가지의 실험을 통해 용매와의 경쟁적인 부작용을 억제하고 최적화 할 수 있었다. 3번째 단계에서 반응성이 높은 금속화된 (메탈화된) 중간체와 이산화탄소 사이의 효율적인 기체-액체 반응을 달성하고, 10분간의 실질적인 구동을 통해 2.3 g의 이부프로펜을 합성 할 수 있었다. 여섯 번째 장에서는 마이크로초 단위의 분자 내에서의 재배열 반응 (음이온 Fries rearrangement)의 선택적 조절을 제어하기 위해, 삼차원 프린팅 방식을 활용한 매우 작은 볼륨의 고효율 혼합 금속 미세유체 반응기의 제작에 관하여 기술하였다. 시뮬레이션을 통해 직사각형, 꺾인 구조, 원형의 다양한 채널에 관한 혼합 효율을 확인하였고, 그 구조체들을 구현하기 위해 삼차원 프린팅 기술을 활용하여 금속 미세유체 반응기를 제작하였다. 특히, 높은 혼합효율을 갖는 원형 채널을 통해 기존에 보고된 Fries rearrangement 제어의 효율을 더 높이 끌어올릴 수 있었다. Continuous-flow microreaction technology has been recognized as powerful tools for chemical synthetic field as well as pharmaceutical industries and the specific characteristic features of continuous- flow reactions have been studied in various applied synthetic chemistry researches in recent years. In the viewpoint of chemical synthesis, the continuous flow synthesis has also been implemented for the reaction integration and green sustainable synthesis. One of the features of the flow microreactor, small channel dimensions with high surface-area-to-volume ratio can easily accomplish highly efficient heat/mass exchange and excellent mixing efficiency. The reaction time in the flow microreactor can be defined as the residence time of the solution in the reactor channel between inlet of reagent and the quenching solution of inlet. Accordingly, the reaction time can be controlled by the residence time, which can be precisely controlled by the length with diameter (volume) of the reactor’s channel or tube between the reagent inlet and quencher inlet and flow rate. In the flow microreactor, the precise control of the reaction conditions can be easily achieved and opens the possibility of handling and utilizing highly unstable intermediates. The goal of present work demonstrates to utilization of unstable organometallic intermediates by precise control of reaction condition via various metal flow microreactors. The utilization of ultrafast chemistry can be suggested in not only research area but also industrial area. The practical applications of the precise reaction control have been demonstrated with five types of chapters. In chapter 2, the synthesis of biologically active thioquinazolinones in a microreactor with short-lived intermediates is described. The pharmaceutical compounds are synthesized through a microreactor with short-lived intermediates because of fast flow for high throughput and of sequential utilization of the intermediates for building a library efficiently in a short time. Here we present an integrated microfluidic synthesis of biologically active thioquinaolinone libraries. Generation of o-lithiophenylisothiocyanate and subsequent reaction with aryl isocyanate is optimized by controlling the residence time to 16 ms at room temperature. Various S-benzylic thioquinazolinone derivatives are synthesized within 10 s in high yields (75~98%) at room temperature by three-step reactions involving two organolithium intermediates, isothiocyanate-functinalized aryllithium intermediate and subsequent lithium thiolate intermediate. In chapter 3, the development of a flow-assisted novel synthetic process of functional carbon-based material, cycloparaphenylene(CPP) is presented. CPP has been recognized as an attractive template for the bottom-up synthesis of carbon nanotubes with uniform diameter, and is important for the chemistry of graphitic as well as ring-shaped macromolecules. However, the reported routes from halogenated benzenes have suffered from low yields even under time- and labor-consuming multistep conditions. Herein we report a flow-assisted synthesis of [10]CPP in four steps under mild conditions. For the synthesis, a selective nucleophilic addition of the unprotected diketone without the double-added byproduct was achieved within 3 s in high yield. Subsequently, the obtained compound was reacted with dilithiated benzene at 25 ºC to form a U-shaped precursor for CPP in a separate microreactor, which was finally dimerized and aromatized to obtain [10]CPP by a two-step in-flask reaction. Precise control of time and flow facilitated by the flow-assisted system enabled the development of an efficient synthetic route for [10]CPP. In chapter 4, a flow-assisted control of sequential isomerization via three intermediates is demonstrated. Simultaneous tandem changes of chemical species are typically difficult to control with high selectivity, as they are proceeded through multiple types of intermediates. It is desirable to develop the novel synthetic method by controlling their momentary transformation in a selective manner. Herein, we report a flow-assisted platform for controlling the sequential isomerization of o-lithiated aryl benzyl ethers in serial intramolecular reactions of deprotonation and Wittig rearrangement under mild condition. The variation of residence times in a flow microreactor was critical to control the sequential isomerizations of three intermediates upon generating the lithiated aryl ether. In addition, reaction kinetics of four different aryl benzyl ethers were investigated to demonstrate the selective control of isomer synthesis. Furthermore, dual functionalization of the aryl benzyl ether was successfully performed via sequential microreactions with two kinds of electrophiles. In chapter 5, the flow synthesis of ibuprofen by regioselective C-H metalation is described. Ibuprofen was prepared from an inactive and inexpensive p-xylene by 3-step flow functionalizations through regioselective metalations of benzyl positions in sequence using an in-situ generated LICKOR-type superbase. The flow approach in the microreactor facilitated to comprehensively explore over 100 conditions in the first-step reaction by varying concentrations, temperatures, solvents, and equivalents of reagents, enabling to find the optimal condition with 95% yield by significantly suppressing the formation of byproducts, followed by the second C–H metalation step in 95% yield. Moreover, gram-scale synthesis of ibuprofen in the final step was achieved by biphasic flow reaction of solution-phase intermediate with CO2, isolating 2.3g for 10 min of operation time. In chapter 6, a 3D printed stainless steel metal microreactor for submili-second chemistry with high mixing efficiency is presented. A high-resolution 3D-printed metal microfluidic device was fabricated to achieve the precise time control with high mixing efficiency that is necessary to control intramolecular rearrangement reactions. Computational fluid dynamics calculations determined that mixing efficiencies achieved were 85% for a serpentine channel with rectangular cross-section and 93% for a channel with circular cross-section. Microreactors that have the desired structures were manufactured by 3D printing technique and microlaser sintering. The rapid anionic [1,3] Fries rearrangement reaction was selectively controlled in each 3D printed flow reactor by suppressing production of the rearranged by-product. Moreover, the rearrangement of an aryl compound that bears a sterically small acetyl group was successfully controlled to achieve 83% yield by using the microreactor that had a channel that had circular cross-section.

Exploiting Multi-task Structure with Task Conditioned Models

노현우 포항공과대학교 일반대학원 2019 국내박사

최근 딥러닝의 적용으로 인식 문제와 상호 작용이 가능한 에이전트의 학습에는 많은 발전이 있었다. 하지만, 이러한 발전은 대부분 하나의 문제를 푸는 모델에 대한 것으로, 여러개의 문제를 풀 수 있는 하나의 인식 모델 또는 상호 작용이 가능한 에이전트의 학습은 아직 많은 연구가 필요한 분야로 남아있다. 이러한 딥러닝 기반 방법과는 달리, 인간은 주어진 신체에 국한된 하나의 인터페이스 만으로도 다양한 문제를 동시에 풀 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 능력을 모방하기 위해 본 논문에서는 문제 정의에 기반하여 동작을 변경하는 다중 문제 풀이를 위한 모델에 관하여 연구한다. 이러한 문제 정의 기반 모델은 다양한 문제를 풀 수 있도록 학습하기 위한 것이기 때문에 다양한 문제들 사이에 존재하는 공통된 구조나 반복되는 패턴을 찾고, 이를 활용할 수 있는 능력이 중요하다. 즉, 모델은 반복되는 패턴을 활용함으로써 한정된 자원으로 부터 수많은 문제를 풀수 있는 재사용 가능한 기술을 효율적으로 익히고 새로운 문제에 적용할 수 있어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 한 방법으로, 이 논문에서는 문제의 내부적 표현 방식와 문제의 내부 표현에 기반한 문제 해결 과정을 문제 기반 모델의 중요한 두 모듈로 정의하고 연구한다. 문제의 내부적 표현 방식은 주어진 문제의 구조를 드러내며 각 문제를 일반적인 지식이나 기술의 조합으로 표현하여 한 문제에서 배운 지식이나 기술을 다른 문제에 적용 가능하도록 나타낸다. 문제 해결 과정은 내부적 표현 방식과 입력에 따라 결과를 출력하는 과정으로, 내부적 표현 방식에 나타난 대로 일반적인 지식이나 기술을 적용한다. 이 논문에서는 문제의 내부적 표현 방식 및 문제 해결 과정의 역할을 연구하기 위하여 우선 잘 디자인된 표현 방식과 해결 과정의 예를 소개한다. 해당 예시에서는 적은 개수의 시행 과정 영상을 모방하는 문제에서 문제의 구조를 적절히 표현하는 내부 표현 방식이 학습 성능의 향상과 일반화 능력의 측면에서 장점이 있음을 보인다. 또한 이 논문에서는 딥러닝을 사용한 문제 정의 기반 모델에서 내부적 표현 방식 및 문제 해결 과정을 학습을 통해 얻을 수 있는 방법에 대해서 연구한다. 구체적으로 모델의 매개 변수 구조, 표현 학습, 대리 문제 분포를 통한 표현 방식의 사전학습, 구조적 정규화 방법 등을 소개하며, 시각 기반 질의 응답 및 여러개의 문제를 위한 강화학습에서 이러한 방법이 좋은 문제 내부 표현 및 해결 과정을 학습하고 풀고자 하는 문제에서의 성능을 향상 시킬 수 있음을 보인다. 추가적으로, 학습된 문제 표현 방식 및 해결 과정을 다른 문제 상황에 전이 하여 재사용 할 수 있음을 확인한다. While deep neural networks have been making remarkable advances on learning recognition models and interactive agents for a single task, building a system that is capable of solving diverse tasks is still an open area of research. Contrary to deep neural networks, which is very good at optimizing a single task performance and sometimes demonstrate super-human performance, human is capable of learning and solving extremely wide range of tasks with a single interface for communicating with the world based on perception and action. To imitate such ability with deep neural network, this dissertation studies task conditioned models, a class of models that have specifications of tasks as an additional input. The task specifications span the space of tasks and modulate the behaviour of a model to represents solutions to diverse tasks as different mappings between inputs and outputs of the model. Considering that the task conditioned models aim to solve multiple different tasks with a single model, capturing the repetitive or shared structure among tasks and exploiting them to reuse knowledge learned in one task in other tasks is an important research area for building a model that scale in terms of the number of tasks. For this purpose, we introduce task representation and task conditioned decision strategy as two internal modules of a task conditioned model and study their roles for learning task conditioned models. The task representation is an internal representation of a task, which captures and reveals repetitive structure of a space or distribution of tasks. The task conditioned decision making strategy is a part of the model that makes final output based on the input and the task representation. This module functions as a task agnostic skills for solving multiple different tasks by exploiting the structure represented by a task representation. To study the role of task representation and decision strategy, I first present an example with well engineered task representation and decisions strategy. In a few shot imitation learning problem, I present how good task representations revealing the true multi-task structure benefits learning and improves generalization. Based on this intuition, I study how we could learn good task representations and decision strategies for task conditioned models based on deep neural networks. I present approaches based on model parameterization, representation learning, pretraining with proxy task distribution, and structured regularization as effective tools for learning good task representation and decision strategy. The experiments on visual question answering and multi-task reinforcement learning demonstrate the effectiveness of the approaches in terms of the quality of learned task representation and the performance on target multi-task problem. Additionaly, I present that the learned task representation and decision strategy can be transferred and reused for different problem settings.

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.

Interfacial Spin-Flip-Generated Adiabatic Quantum Pumping Effects

이상찬 포항공과대학교 일반대학원 2021 국내박사

이 박사 논문은 점진-근사적 양자 펌핑 현상과, 계면에서의 스핀-뒤집힘 포텐셜이 존재할때 세차운동하는 자화가 만들어내는 펌핑 전류에 대하여 이론적으로 연구하였습니다. 세차운동하는 자화는 스핀 전류를 만들어낸다고 알려져 있는데, 이것은 주위 물질에 스핀 각운동량을 전달합니다. 스핀-보존계에서, 펌핑된 전류는 전하 전류를 동반하지 않는 순수 스핀 전류만을 펌핑한다고 알려져 있습니다. 하지만 스핀이 보존되지 않을 수 있는 스핀-비보존계에서는, 이것이 일반적으로 사실이 아닙니다. 최근 실험에서는 이런 스핀-비보존계에서 자주 조사되고 있지만, 여전히 기존의 스핀 펌핑이론을 이용하여 스핀의 비-보존성을 고려하지 않고 새로운 실험 결과들을 분석하고 있습니다. 이 논문에서는 계면에서의 스핀-뒤집힘 포텐셜로 인해 펌핑된 전류에 대해 연구했습니다. 우리는 일반화된 믹싱 컨덕턴스로 펌핑된 전류에대한 해석학적인 표현식을 찾았으며, 일반적인 스핀-비보존계에서 펌핑된 전하 전류는 사라지지 않는다는 것을 보였습니다. 또한 우리는 이 계면 스핀-뒤집힘 포텐셜이 만드는 펌핑 전류가 일반화된 자기회로이론의 일반화된 스핀 믹싱 컨덕턴스 텐서로 표현될 수 있다는 것을 보였습니다. 마지막으로, 우리는 다양한 시스템 파라미터에 대한 전하-믹싱 컨덕턴스의 변화를 수치적인 계산을 통해 보였습니다. 이 논문의 나머지는 세가지 챕터로 이루어져 있습니다. 챕터 2는 이론적인 배경들을 소개하는데, 이 이론들은 이어지는 챕터들에서 자주 쓰이게 됩니다. 챕터 3과 4에서는 계면 스핀-뒤집힘 포텐셜로 인해 펌핑된 전류에 대해 연구합니다. 챕터 3에서 우리는 산란 행렬 접근법과 점진-근사적 양자 펌핑 이론에 대해 연구합니다. 챕터 4에서는 그린 함수 방법을 사용하여 펌핑되는 전자 전류에 대하여 연구하였습니다. This doctoral dissertation examines theoretically the adiabatic quantum pumping effect and corresponding pumped currents induced by a precessing magnetization in the presence of an interfacial spin-flip potential. Precessing magnetization is known to generate spin currents, which transfer a spin angular momentum to adjacent materials. In spin-conserving systems, the pumped currents are known to carry pure spin currents, which are not accompanied by pumped charge currents. However in spin-nonconserving systems, where the spin may not be conserved, this statement is not generally true. Recent experiments are frequently investigating such spin-nonconserving systems, but the conventional spin pumping theory that neglects the spin non-conservation is still widely used to analyze experiments. In this thesis, the pumped currents generated by an interfacial spin-flip potential are studied. We find the analytic expression for the pumped currents in terms of generalized mixing conductances, and show that pumped charge currents do not vanish in general spin-nonconserving systems. We show that the pumped charge current generated from the interfacial spin-flip potential can be understood in the context of the generalized spin conductance tensors suggested from the generalized magnetoelectronic circuit theory. Lastly, we present numerical calculations of various system parameter dependences of the charge-mixing conductance. The rest of this thesis consists of three main chapters. Chap. II introduces theoretical backgrounds, which are frequently utilized in the subsequent chapters. In Chaps. III and IV, the pumped currents induced by the interfacial spin-flip potential are studied. In Chap. III, we study the pumped currents using the scattering approach and adiabatic quantum pumping theory. In Chap. IV, the Green’s function approach is used to study the pumped charge current.