스마트그리드 환경에서의 비용 최적화를 위한 자동화된 수요 반응 시스템에 관한 연구

최태섭 서울대학교 대학원 2012 국내박사

The traditional power system is configured and operated to meet power demands changes. Economic of scale due to industry development is driving more of power generation capacity, resulting increase and volatility in power demand. In response, methods, such as ED(Economic Dispatch) and UC(Unit Comment), have been developed to save generation costs, whilst satisfying such changes of demand. However, such unilateral system to such change of demand has its limitation and cannot guarantee the reliability and quality of the power system in the future. Moreover, environment for energy generation and consumption is showing rapid changes recently. Increase and fluctuation of fossil fuels's cost, which is the main source for energy, is causing volatility in power generation cost. Especially, recent nuclear power safety issue, increased public interest to environmental issue and controls on greenhouse emissions restrain construction of additional new power plant, which makes it even harder to meet increasing power demand. In addition, increasing in the uncertainty of power generation due to increased size of renewable energy and mobile power demand such as EV(Electric Vehicle) is putting pressure on the stability of power system operation. Power generation cost volatility, due to these changing environments, could be settled reasonably through the power exchange market. On the otherhand, most of countries have regulatory limitation on their electricity retail price, as power supply is treated national infrastructure business and has much impact on the national economy. And, this uniform pricing leads to excessive price distortion between generation cost and sales price. Sometimes, electric power suppliers have to supply, even when the retail price is cheaper than the market price, for the stable operation of power system. In such case, the laws of supply and demand cannot be applied in the electricity market. This increases financial risk on electric power suppliers and acts as an obstacle to efficient energy generation and consumption. Accordingly, recent years, there has been increased voice to change this electricity consumption method. Many researches have been done to find a solution to overcome and renovate the electricity market price distortion. As part of that effort, Smart Grid has been proposed in cooperation with recent technical advancement of ICT(Information and Communication Technology). More in-depth study is in the progress, in this new field. The study focuses on DR(Demand Response) program, as it is considered to be an effective method for improving the price distortion problem. DR program has two basic program, IBP(Incentive-based Demand Response Program) and PBP(Price-based Demand Response Program). DR program basically aim to shift electricity load from the price peak time to when its not. It opens to the public inelastic power demand and its market price, which then, can lead to reasonable power consumption and solves problem of price distortion in uniform pricing. In this manner, DR program can improve efficiency both of power supply and its demand. The ultimate objective of DR program is to introduce time-varying tariff. Time-varying tariff is one of DR program that retail price reflect the volatility of electricity market price. Therefore, the consumer price is in the line with market price, so that the electricity consumer can adjust their consumption in reasonable manner, in consideration of its actual price. As for the introduction of time-varying tariff, small scale energy consumer's acceptance act as a large barrier. It is hard for them to change their power consumption in response to market price, because of their adaptation to uniform pricing. Especially, it is realistic difficult for small scale consumer to monitor electricity price change every hour and reflect it to their consumption. Accordingly, new system and infrastructure needs to be developed to reflect these needs and changes. This thesis will introduce new customer system and power sale infrastructure in order to introduce time-varying tariff. First, it will start by explaining the structure of new customer system to introduce time-varying tariff and smart appliance that automatically response to the price information. Then, the new method, which correspond with quantity pricing with this new customer system and smart appliances, will be explained. Realistic smart appliance examples have been introduced and these appliances’ simulation result responding to time-varying tariff also have been included in this paper. Finally, new power sales infrastructure has been proposed for the introduction of various tariff, and the method how each entities in proposed infrastructure interconnect with new customer system has been explained in this paper. 기존의 전력 시스템은 변화하는 전력 수요에 공급을 일치시키는 형태로 운영되고 있다. 산업이 발전하고 경제의 규모가 성장함에 따라 더 많은 기기가 전기 에너지의 힘을 이용하게 되었고 이에 따라 전기 에너지의 수요가 크게 증가함과 동시에 수요의 변동성의 폭 또한 증가하고 있다. 이러한 수요에 최적화된 비용으로 전기를 공급하기 위해 현행 전력 시스템은 경제 급전(ED, Economic Dispatch), 기동 정지 계획(UC, Unit Commitment) 등을 수행하며 안정성과 경제성을 동시에 확보하려는 노력을 하고 있다. 하지만 이렇게 변화하는 수요에 전기의 공급을 일방적으로 맞춰가는 시스템으로는 미래의 전력 공급과 소비에 있어서 여러 가지 문제가 따른다. 최근 전기의 생산과 소비를 둘러싼 환경이 빠르게 변화하고 있다. 전기의 주요 원료가 되는 화석 연료의 가격 급등과 세계 자원 시장의 불안정성은 전력 생산 단가의 변동성을 유발하고 있다. 원자력의 안정성 논란, 환경에 대한 관심, 온실 가스의 규제 움직임은 발전 설비를 확충하는 기존 방식의 전력 수급에 어려움을 주고 있다. 그리고 신재생 에너지 비중의 확대로 인한 전력 생산량의 불확실성의 증대와 기존에 없었던 전기 자동차 등과 같은 이동성 전력 수요는 전력 시스템의 안정적인 운영에도 큰 부담을 주고 있으며 경제적인 측면에서도 고려해야 할 사항들을 증가시키고 있다. 이러한 환경에서 전기 생산 단가의 변동성은 완벽하지는 않지만 전력 시장을 통해 비교적 합리적인 정산이 이루어질 수 있는 토대가 마련되어 있다. 반면 세계 대부분의 나라에서 전기의 판매 단가 구조는 긴 시간 간격 단위로 요율을 조정하는 고정 요율의 요금제를 적용하는 형태가 많이 사용되고 있어 빠르게 변화하는 가격 변동성을 반영하기 어려운 구조로 되어 있다. 생산 가격의 변동성이 판매 가격에 반영되지 못하기 때문에 전력의 거래에 있어서 가격의 왜곡 현상이 발생한다. 이러한 왜곡 현상이 발생한다 해도 전력 시스템의 안정성 유지를 위해 공급과 판매는 일방적으로 전력 수요에 맞춰야 하기 때문에 일반적인 상품 시장에서 이루어지는 바와 같이 가격에 의한 합리적인 수요 조절이 이루어지 않는다. 이러한 문제는 전력 판매 회사의 재정적 위험을 증대시킬 뿐 아니라 효율적인 에너지의 생산과 소비 환경을 가로막는 주요 원인이 되고 있다. 따라서 전기의 소비의 방식이 근본적으로 변화해야 한다는 의견이 제기되고 있으며 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 최근 급격하게 발달한 정보 통신 기술(ICT, Information & Communication Technology)과 인프라에 따라 스마트그리드(Smart Grid)라는 차세대 전력망의 개념이 도입되고 이러한 기술의 가능성에 대한 연구가 진행 중이다. 이러한 기술 중에서 기존에는 조절할 수 없는 변수로 여기던 수요를 조절하는 수요 반응(Demand Response) 기술이 미래의 전력 시스템 구현에 매우 중요한 축으로 주목받고 있다. 수요 반응 기술에는 인센티브 기반 수요 반응 프로그램(IBP, Incentive-based Demand Response Program)과 가격 기반 수요 반응 프로그램(PBP, Price-based Demand Response Program)이 있다. 수요 반응 프로그램은 기본적으로 소비자로 하여금 전기 가격이 높을 때 에너지 소비를 줄이고 낮은 가격의 시간대로 소비를 옮기는 부하 이동(Load Shifting)을 목적으로 한다. 이를 통해 비탄력적이던 전력 수요를 변화하는 가격 정보에 노출시킴으로써 합리적인 전기의 소비를 유도하고 고정 요율 요금제(Uniform Pricing)가 적용되어 유발된 판매 시장의 가격 왜곡 요소를 해소하는 것이 필요하다. 이러한 방법으로 공급과 소비 측면 모두 효율성을 높이는 것이 수요 반응 기술의 지향점이다. 이러한 수요 반응 기술에서 가장 궁극적인 방향은 시변동형 요금제(Time-Varying Tariff)의 도입이다. 시변동형 요금제는 전기의 생산 시점에서 발생하는 변동성을 판매 가격에 합리적으로 반영하고자 하는 수요 반응 기술이다. 즉, 전력 시장에서 변화하는 가격에 연동하여 판매 가격을 산정함으로써 전기의 소비자가 시장 가격을 고려하여 자신의 수요를 합리적으로 조절할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 시변동형 요금제의 도입에 있어서 가장 큰 장벽은 소규모 수용가의 적응 여부이다. 고정 요율 요금제에 오랜 시간 익숙했던 소비자가 가격 정보에 따라 에너지 사용량을 변화하는 합리적인 수요 반응을 수행하기도 어려울 뿐 아니라 매시간 변화하는 전기의 요금을 소비자가 일일이 모니터링 하여 수용가 내의 에너지 사용량을 조절한다는 것은 현실적이지 않으며 불가능에 가깝다. 따라서 이러한 수요 반응을 위해서는 새로운 인프라와 시스템이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 시변동형 요금제 도입에 필요한 새로운 수용가 시스템 및 전기 판매 구조에 대해서 제안한다. 먼저 시변동형 요금제 도입을 위해 필요한 새로운 수용가 시스템의 구성에 대해 설명한다. 그리고 수요 반응의 주체로서 변화하는 가격에 스스로 반응하는 Smart Appliance 개념을 설명하고 수요 반응 알고리즘에 대해서 설명한다. 이와 함께 단순히 가격이 변하는 시변동형 요금제 뿐 아니라 용량 제한형 요금제(Quantity Pricing)가 적용될 경우에 본 논문에서 제안한 수용가 시스템의 구성과 Smart Appliance를 통해 합리적으로 수요 반응하는 방법에 대해 설명한다. 이러한 방법에 대해 실제 기기들을 Smart Appliance로 구현하여 가격에 수요 반응을 수행하는 예에 대해 설명하고 Simulation을 수행한다. 마지막으로 수용가에 이러한 다양한 요금제 적용이 가능하도록 전기 판매 부분에 있어서의 새로운 구조를 제안하고 수용가 내부 시스템과의 연동을 통해 소비자 에너지 비용 최적화 방법에 대해서 설명한다.

마이크로 전기영동 소자의 유로 면 특성에 따른 전기삼투 및 전기영동 효과에 관한 연구

김민수 서울대학교 대학원 2003 국내석사

마이크로 칩에서의 전기영동 실험은 기판 재료가 달라져서 유로의 특성이 바뀌면 전기 삼투적 흐름과 시료의 분리 결과가 영향을 받게 된다. 본 논문의 목적은 전기영동 마이크로 칩을 제작하는 기술을 확립하고 칩의 기판에 따른 유로 면의 특성이 전기삼투와 전기영동 분리에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 제작된 칩의 성능을 비교하기 위해서 폴리머 계열인 polydimethyl siloxane(PDMS), polymethyl methacrylate(PMMA)와 실리카 계열인 석영, 유리를 사용하였다. 전기영동 실험에 앞서 마이크로 칩의 제작에 있어서는 기존의 유체 소자 제작 공정 기술을 보완할 수 있는 새로운 방법을 제안하여 제작상의 효율을 높였다. PDMS 칩은 사진 식각 공정으로 몰드를 제작하고 PDMS를 경화시켜 제작하였고 접합을 위해서 플라즈마처리를 하였다. PMMA 칩의 유로의 형성을 위해 핫엠보싱 공정을 이용하였다. 이를 위한 몰드는 실리콘 이방 식각이나 도금을 통해서 제작하였다. 석영을 사용한 칩에서는 불산을 이용한 습식 식각 방법으로 유로를 형성하였고 입자분사 방법으로 저장부 기판의 제작을 용이하게 하였다. 유리칩에서는 제작 상에 있어 문제가 되는 접합방법의 보완을 위해서 비정질 실리콘을 이용하여 양극 접합하였고 실리콘 막의 보호를 위해서 산화막을 증착하여 제작하였다. 제작된 전기영동 칩의 성능분석을 위해서 전기 삼투적 흐름과 시료의 분리 결과를 분석하였다. 전기 삼투 흐름 속도의 측정을 위해서 전하를 띠지 않는 아세톤을 시료에 첨가하고 간접 검출 방법을 사용하여 검출하였다. 시료인 형광 물질의 분리를 통하여 전기 영동 실험에 있어서 각 칩의 성능을 비교할 수 있었다. 제안된 제작 방법과 실험 결과 분석을 통하여 마이크로 유체소자의 제작방법과 응용에 있어서 그 범위의 확대 가능성을 확인하였다. We investigated the influence of the properties of substrate material on the separation efficiency in microchip electrophoresis. The efficiency is the function of migration time, which is affected by the electroosmotic flow (EOF), and bandwidth of an analyte. EOF is highly dependent upon the characteristics of a microchannel wall surface. We fabricated the various microchips and studied separation efficiency in microchannels composed of a single material such as glass, quartz, polydimethylsiloxane, and polymethylmethacrylate, as well as hybrid microchannels composed of different materials. New fabrication process for glass chip was suggested and some treatment is added to improve fabrication process in other chip. We compared the separation efficiency by measuring migration times and bandwidths of EOF and analytes in each microchip. Microchip electrophoresis was performed using laboratory-constructed capillary electrophoresis equipment. 10-mM fluorescein and 10-mM dichlorofluorescein (DCF) were separated in microchips to compare the performance in each microchip. EOF was measured using 1% acetone as a neutral marker by indirect detection method. The microchip was operated under a gated sample loading mode. The migration time of EOF in each microchip was dependent on the characteristic of microchip material. The separation and band broadening on various chip materials were compared. More band broadening was observed in the microchip composed of hybrid material such as glass/silicon oxide membrane or PDMS/glass substrate than in the microchip of single material due to non-uniformity of surface charge density at the walls of the channel.

전기적 구분 장치 파라미터 변화가 AF 궤도회로 성능에 미치는 영향 연구

최재식 서울시립대학교 2016 국내박사

궤도회로(Track Circuit)란 레일을 전기회로의 일부분으로 사용하여 선로위의 열차위치를 검지하고, 열차주행에 필요한 연속정보를 차상으로 전송하는 장치이다. 무절연 AF(Audio Frequency) 궤도회로는 회로를 구분하기 위하여 전기적 구분장치(JES : Electrical Separation Joint)를 사용한다. 전기적 구분장치는 인접 궤도회로 주파수는 차단하고 해당 궤도회로 신호가 폐전로를 구성하기 위하여 차단주파수가 다른 두 종류의 LC 수동필터를 일정한 간격을 두고 궤도회로 경계구간에 설치한다. 우리나라 고속철도에 사용하고 있는 UM71C 무절연 궤도회로 경계구분에 사용하는 수동필터는 설치환경이 열악하고, 연결 케이블에 의한 필터 차단 및 통과주파수의 영향을 방지하기 위하여 최단 거리인 선로의 중앙에 설치하도록 설계되어 있다. 하지만 궤도회로 구성품이선로중앙에 설치되면 겨울철 혹한기 차량하부에 부착된 결빙이 선로에 떨어져 궤도회로 구성품의 파손을 발생시킬 수 있으며, 선로보수를 위한 보수차량에 의한 파손이 발생하고, 선로 내측에서 궤도회로를 유지보수하는 작업자는 열차로부터 항상 안전을 확보하지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 궤도회로 구성품이 선로중앙에 위치할 경우 발생하는 시설물 파손을 방지하고, 유지보수의 편리성 증대를 위하여 궤도회로 구성품을 선로 외측으로 이설할 필요가 있다. 본 논문은 UM71C 무절연 궤도회로의 전기적 구분장치를 선로 외측으로 이설시 발생하는 궤도회로 선로정수 변화가 경계부 전기특성에 미치는 영향을 분석하고, 이설 후에도 궤도회로의 성능을 유지하기 위한 전기적 구분장치의 파라미터를 재 산출하였으며, Matlab과 ICAP4를 활용한 시뮬레이션을 통하여 가능성을 확인하고, 현장시험을 통하여 궤도회로의 성능이 유지됨을 확인하였다. Track Circuits are using a rail as a part of electric circuits and detecting the location of trains on the track. Also, it transmits continuous information which needs for running a train to the cab. AF(Audio Frequency) is using an Electrical Separation Joints : JES to distinguish from track circuit. Two types of LC passive filters which different cutoff frequencies install at regular intervals to make the signalling of track circuits as closed circuits and block the signalling adjacent track circuits for an Electrical Separation Joints : JES. The passive filters using to distinguish the boundary of UM71C AF(Audio Frequency) using for high-speed trains in Korea is in poor surroundings to install and it is designed to install in the middle of the track which is the shortest distance to prevent the effect of pass frequencies and to block filters. However, if components of track circuits are installed in the middle of tracks, the components of track circuits could be destroyed as ice formations attached underpart of trains during winter fall on the tracks, they could be destroyed by repair vehicles for maintenance of tracks and it occurs not to secure the safety of maintenance workers. However, it needs to move to outside of tracks for components of track circuits to prevent the damage of facilities and to improve convenience of maintenance in case components of track circuits are installed in the middle of tracks. This study analyzes how the change of line constant caused by electrical separation joints of UM71C AF(Audio Frequency) move to the outside of tracks affects to the electrical characteristic on the boundary, parameters of electrical separation joints reproduced to maintain the performance of track circuits after moving this devices and it identifies the possibility through a simulation utilizing Matlab and ICAP4, it confirmed the performance of track circuits maintain through on-site test.

Interfacial Mechanisms for Organic Flexible Resistive Memory and Artificial Synapse

이신형 서울대학교 대학원 2019 국내박사

유기 전기화학적 금속화 멤리스터(memristor)는 기계적 유연성, 높은 전기적 성능, 그리고 간단한 제작 과정의 장점으로 인해, 유연 뉴로모픽(neuromorphic) 전자소자를 위한 주요 구성요소로 각광 받고 있다. 일반적으로, 유기 전기화학적 금속화 소자는 활성금속-전해질-비활성금속의 간단한 구조로 설계되며, 소자의 저항 스위칭(switching) 현상은 전도성 필라멘트(filament)의 성장과 붕괴에 의해 이루어진다. 따라서, 해당 유기소자 분야에서는 필라멘트의 성장과 붕괴에 관여하는 금속-고분자 계면에서의 금속 이온 수송에 대한 메커니즘을 규명하는 것이 화두이다. 그러나, 현재 유기물 소자 내에서 전도성 필라멘트의 생성 경로를 직접 관측하는 데에는 많은 제약이 존재하며, 이로 인해 필라멘트의 성장과 그에 따른 저항 스위칭의 명확한 과정을 확인하는 것은 그 한계가 있다. 또한, 유기물 전기화학적 금속화 소자에서는 안정적인 전기적 성능 구현에 대한 연구가 중점적으로 이루어지고 있다. 소자 구동 시, 발생하는 제어 불능의 금속 이온 수송은 전도성 필라멘트의 무작위적 성장을 야기하고, 이는 소자의 낮은 재현성과 균일성으로 이어진다. 더 나아가, 일반적인 유기물 소자의 제작에 활용되는 용액공정은 박막의 균일성이 수백 나노 수준에서만 보장되어, 구동 전압이 상대적으로 높다는 문제 역시 존재한다. 본 논문에서는 금속-고분자 계면에서의 이온 수송에 따른 유기 전기화학적 금속화 멤리스터의 전도성 필라멘트 성장 메커니즘에 대한 규명을 중심으로, 이온 수송을 인위적으로 제어하고, 이를 통해 소자의 전기적 특성을 향상시키는 것을 목표로 하였다. 첫째로, 계면에서의 필라멘트 성장 제어를 통해, 저 전압에서 구동이 가능하고 높은 안정성을 지니는 유기 전기화학적 금속화 멤리스터를 개발하였다. 고분자 전해질 내 공극의 부피는 금속 양이온의 이동 경로로써 작용하고, 전극과 고분자 계면사이 기하구조는 필라멘트의 성장 핵 역할을 할 수 있다는 사실을 밝혔고, 이러한 결과에 근거하여 이중층 형태의 전해질 구조를 갖는 유기 전기화학적 금속화 멤리스터 소자를 개발하였다. 해당 소자는 종전 소자의 1/3배에 해당되는 저 전압에서도 안정적으로 구동되었다. 둘째로, 고분자 전해질 내에 전계 유발 구조를 도입하여, 유기 전기화학적 금속화 멤리스터 소자의 균일성과 재현성을 향상시켰다. 금속 양이온의 수송과 그에 따른 필라멘트 형성은 소자 내 금속-고분자 계면에 위치한 국지적 전계 강화 효과를 갖는 계면 유발 구조물들(interfacial triggering fingers)을 통해 잘 제어가 되었고, 해당 구조를 갖는 유연 전기화학적 금속화 멤리스터는 종전 소자 대비 높은 재현성과 균일성을 나타냈다. 끝으로, 고분자 전해질 내 자유 체적 분포가 상이한 이중 층 형태의 멤리스터를 바탕으로 인공 시냅스 소자를 개발하였다. 해당 소자에서는, 두개의 서로 다른 전기화학적 금속화 기반의 채널 (확산 채널 및 이동 채널)이 중첩되어 위치하며, 각 채널은 서로 다른 메모리 휘발성을 지녀, 각각 생물학적 시냅스의 칼슘 이온과 시냅스 연결 상태의 역할을 대신한다. 구체적으로, 분산 채널에서의 필라멘트 성장과 붕괴는 시냅스의 단기 가소성 특성을 만족시켰고, 이동 채널의 전도도 변화는 시냅스의 장기 가소성 특성을 모사하였다. 또한, 해당 멤리스터 소자는 뇌의 학습 과정을 효과적으로 재현해냈다. 요약하자면, 본 논문은 소자 계면에서의 국지적 전계강화 또는 구조적 관점에서의 이온 이동 제어 방법에 대해 연구하였고, 이를 바탕으로 유기 전기화학적 금속화 멤리스터의 전기적 특성을 개선 하였다. 해당 논문에서 제시된 연구 내용들은 유기 멤리스터의 필라멘트 성장을 정밀하게 제어하여 실용적인 뉴로모픽 시스템(system)을 구축 하는 데에 새로운 길을 열어줄 것으로 기대된다. Organic electrochemical metallization (ECM) memristors are promising for flexible neuromorphic electronics due to the mechanical flexibility, high electrical performance, and simple fabrication processes. Typically, the ECM device is constructed in a simple active metal-electrolyte-inert metal configuration. The resistive switching of the device is realized by the growth and dissolution of the conductive filaments (CFs). Therefore, in organic-based ECM devices, it is a central issue to clarify the underlying mechanisms for the ion transport governing the growth and dissolution of the CFs at the metal–polymer electrolyte interface. However, for the organic devices, it has been challenging to explore a key process for the CF growth and resistive switching of the device due to the difficulties in observing conductive filamentary paths explicitly. In organic ECM devices, another point is to resolve the inherent limitations in achieving the stable electrical performances. The uncontrollable ion transport results in the stochastic formation of the CFs so that the poor uniformity and the inferior reliability of the device are inevitably involved. Furthermore, in solution processes for conventional organic ECM devices, it is difficult to produce a thin and uniform electrolyte layer of about several hundreds of nanometers for the reduction of the switching voltages. . This thesis primarily aims to clarify the underlying mechanisms for the growth of the CFs at a metal–polymer electrolyte interface through ion transport in organic ECM memristors and demonstrate control of ion transport for the improvement of electrical characteristics of the device. Firstly, an organic ECM memristor with low voltage operation and high stability was demonstrated through the interfacial control of the CF growth. It was found that the free volume of voids in the polymer electrolyte plays as the pathways of metal-cations and the interfacial topography between the electrode and the polymer determines the nucleation sites of the CFs. The organic ECM-based memristor with a hetero-electrolyte exhibits high mechanical flexibility, low switching voltages reduced by about three times compared to those of conventional devices organic ECM memristor. Secondly, the uniformity and reliability of the organic ECM memristor was highly improved using the concept of electrical triggering in the polymer electrolyte. The transport of metal cations and the resultant formation of the CFs were found to be confined through the interfacial triggering fingers (ITFs) with the local electric field enhancement (LEFE). The flexible ECM memristor with the ITFs exhibited the high reliability and the stable uniformity, compared to those of the devices with no ITF. Lastly, an artificial synapse was successfully developed through a monolithic memristor with differential distribution of free volumes in the polymer electrolyte. In the device, two types of ECM-based channels (the diffusive channel and the drift channel) with the different memory volatility were constructed to replicate the dynamics of Ca2+ and the retention of a synaptic connection, in a biological synapse respectively. The dynamics of the growth and decomposition of the CF in the diffusive channel satisfied qualitatively the rules for the short-term plasticity in the synapse, and the conductance of the drift channel was analogous to the synaptic weight for the long-term plasticity. The memristor effectively emulated the learning process of brain. In summary, control of ion migration was investigated for the improvement of electrical characteristics in the organic ECM memristor within the framework of the interfacial phenomena involved in the LEFE and the development of the novel structure. The work presented in thesis is expected to open a new route to the delicate control of the CF growth for organic memristors, and the integration of basic building blocks for constructing a practical neuromorphic systems.

Metallic Nano-Gap Electro-Fluidic Devices for Optical Sensing and Particle Trapping Applications

유의상 서울대학교 대학원 2019 국내박사

최근 나노 과학 기술은 다양한 분야의 핵심 요소로서 활용되고 있다. 특히 광학적, 전기적 분야에 많이 응용이 되고 있는데, 전자기파를 금속 나노 구조와의 상호작용으로 효과적으로 제어해 기존에 볼 수 없었던 광학적 특성을 구현하거나, 전기 소자의 크기를 나노 크기로 만들어 전기적인 성능을 유의미하게 향상시키는 연구가 진행되어 왔다. 더 나아가 광학적 응용과 전기적 응용을 접목시켜 기존 소자의 성능을 배가시키는 연구들이 주목을 받고 있는데, 광전기 전기유체 센서 소자를 그 대표적인 예로 들 수 있다. 광전기 센서 전기유체 소자의 일종으로 나노 광학 소자의 센싱 영역으로 목표 물질을 전기적으로 끌어당겨 센싱 성능을 극대화한 광학 센서이다. 이 소자를 구현하기 위해선 몇 가지 기술 요소들을 기반으로 갖춰야 한다. 먼저 광학적 소자의 충분한 센싱 성능이 확보돼야 하고, 바이오 케미컬한 물질을 다룰 수 있도록 수용액 환경에서 잘 동작할 수 있어야 하며, 센싱하고자 하는 목표 물질을 특정 위치에 밀집시킬 수 있어야 한다. 본 논문에서는 앞서 설명한 전기유체 소자의 주요 요소 기술들을 확보하는 연구를 수행하였다. 이를 위해 금속 나노갭을 기반으로 한 새로운 형태의 나노 구조를 제안하고, 광학적, 전기적 성능을 크게 향상시켰으며, 수용액 환경에서의 활용 가능성을 모색하였다. 일반적으로 나노 구조를 만들기 위해 전자빔 리소그래피나 집중 이온빔과 같은 기술이 사용되는데, 이 기술들은 매우 비싸고 복잡해 대면적 구현에 부적합하다. 이에 착안해, 연구 과정에서 이 같은 나노 공정 기술 없이 간단한 기술만으로 대면적에 나노 구조를 구현하는 것에도 초점을 맞추었다. 이를 위하여 먼저, 3장에서는 구조색 소자에서 광학적 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다. 외부 매질이 광학적 센싱 영역으로 접근 가능한 금속-유전박막-나노 구조체 금속막 구조의 광공진기 소자를 제안하고, 굴절률의 변화에 매우 민감한 색 조정 특성을 달성하였다. 광공진기의 반투명층으로 자기 조립된 나노 구멍을 지닌 금속 박막층을 채택하여, 아래 절연층을 선택적으로 식각해 나노기둥과 빈 공간이 생기게 된다. 그 결과, 본 소자는 외부 매체가 유전층의 빈 공간에 들어갈 수 있게 함으로써 매우 높은 굴절율 민감도를 달성할 수 있었다. 또한, 4장에서는 3장에서 제시된 소자를 기반으로 전기 습윤의 원리를 적용해 수용액 환경에서의 활용 가능성을 모색함과 동시에 전기적으로 조절 가능한 구조색 소자를 선보였다. 소수성의 광공진기의 내부 공명 영역에 전기 인가를 통해 물 수용액을 넣을 수 있었고, 이를 통해 광학센서뿐 아니라 광학그림, 광학 암호화의 응용가능성을 선보였다. 마지막으로, 5장에서는 전극을 수직으로 배치시켜 발생하는 효과를 이용해 저전압으로 극소한 나노 입자를 제어해 다양한 곳에 위치시키는 연구를 보였다. 수직 전극 구조는 기존의 수평 전극보다 전기장을 왜곡시켜 훨씬 강한 유전영동력을 발생시키는 보다 향상된 전기적 성능을 보였다. 또한 기존의 수평 나노갭 전극에서는 불가능했던 인가 주파수에 따라 다양한 곳에 입자를 위치시키는 모습을 보였다. 이 같은 특성들을 통해 나노 입자들을 전압에 따라 선택적으로 제어할 수 있었고, 수 마이크로 미터의 효모균 세포에서부터 수십 나노미터 크기의 분자집적체까지 다양한 크기의 바이오 입자를 저전압에서 제어할 수 있었다. 결론적으로, 본 논문에서는 새로운 금속 나노갭 구조를 제안하고 이에 기반하여 굴절율 민감도와 유전영동력과 같은 광학적, 전기적 성능들을 향상시켰으며 수용액 환경에서의 활용 가능성을 제안하였다. 또한, 이 과정에서 비싸고 복잡한 나노 공정 기술을 배제한 채 대면적에 나노 구조를 만듦으로써 실용적인 활용가능성을 높였다. 본 논문에서 제안된 새로운 소자구조와 그 기반이 되는 메커니즘에 관한 연구는 향후 전기유체 센서 소자 외에도 다양한 첨단 광학 및 전기 시스템의 개발에 응용될 수 있을 것이라 기대된다. For recent decades, nanoscience and nanotechnology developed into a research field with great promises for its extraordinary characteristics and applicability to various fields. Especially, adopting nanostructures to optical and electrical devices accomplished outstanding achievements by significant improvements on physical performances and realization of exotic properties that none of the conventional materials has exhibited. Furthermore, studies converging optical and electrical applications has attracted much attention for its significant enhancement of performances, for example, electro-fluidic and optoelectronic sensing systems. The optoelectronic sensors are a kind of advanced electro-fluidic nanophotonic devices, which maximizes its sensing capability by electrically attracting sensing target into optically resonant areas. Although those devices are intensively studied for their potential applications, several technologies should be developed to overcome impeding challenges and realize practical electro-fluidic devices. First, sufficiently large optical sensitivity should be guaranteed for practical sensing. Secondly, external medium and sensing targets should be accessible to optically resonant area under aqueous environment for bio/chemical applications. Lastly, the device should be able to localize and accumulate sensing targets into the specific location by low-voltage electric signals. In this point of view, novel type of metallic nanogap nanostructures are proposed in this thesis to overcome these difficulties and significantly enhance optical and electrical performances in the viewpoint of the scientific research and practical applications. For practical implementation, we also focuses on fabrication of nanostructures over large-area with only simple techniques, since general nanofabrications such as electron beam lithography and focused ion beam are very expensive, complicated and inappropriate for large-area applications. First, a liquid-permeable concept in a metal−insulator−metal (MIM) structural color is proposed to enable access of external medium and material into optically resonant area and achieve highly sensitive optical property. A nanostructured top metal film with nanoapertures, adopted as a transreflective layer for MIM resonator, allows to tailor the nanomorphology of a dielectric layer through selective etching of the underneath insulator layer, resulting in nanopillars and hollow voids in the insulator layer. By allowing outer mediums to enter into the hollow voids of the dielectric layer, such architecture enables to achieve significantly large amount of RI-sensitive wavelength shift in the visible range. Second, by using this device, aqueous utilization of nanomorphology-induced hydrophobic nanophotonic devices is demonstrated based on the principles of electrowetting. Through the electrical actuation, it was able to infiltrate water solutions and sensing targets into hydrophobic internal resonant area, exhibiting applicability to photonic printing and encryption as well as optical sensors. Lastly, vertical nanogap device from metal-insulator-metal multilayers are demonstrated, which enables low-voltage AC electrokinetic manipulation of nanoparticles (NPs). Compared with the conventional horizontal nanogap devices, this vertical configuration generates much stronger dielectrophoretic trapping force for NPs under identical voltage. From this advantage, we successfully demonstrated bio-NP capture at the level of 20 ~ 40 nm molecular aggregates. In conclusion, for realization of practical optoelectronic sensing devices, this thesis presents a novel metallic nanogap structure and demonstrates enhanced optical/electrical performances and their utilization in aqueous environment. Throughout this work, the nanostructures over large-area were created by simple processes for practical implementation and usability. The new device architectures and their underlying mechanism presented here would provide new opportunities to develop variety of advanced optoelectronic and electro-fluidic systems.

전기자동차 보급에 따른 배전계통 저전압 문제해결을 위한 차등요금 도입에 관한 연구

김집 서울대학교 대학원 2014 국내석사

전 세계적으로 온실가스 배출이 전혀 없는 전기자동차에 대한 관심이 급증하면서 그 보급률이 빠르게 증가하고 있다. 전기자동차 보급이 확대되면 전력시스템은 피크 부하가 증가하고, 기존의 피크 부하와 다른 시간대에 새로운 피크 부하가 생겨날 수 있다. 또한 부하패턴이 변화하고 지역별 전력수요가 변화하는 등의 잠재적 문제점을 안고 있으며 배전계통에서는 배전설비의 과부하, 특고압분기선과 주상변압기 및 저압선로의 저전압을 발생시킬 수 있는 위험을 갖고 있다. 전기자동차 부하가 전력시스템에 미치는 부정적 영향을 줄이기 위해 한국전력에서는 전기자동차 전용 시간대 별 요금제(Time of Use: TOU)를 도입하였다. 최대부하, 중간부하, 경부하로 나누어 다른 시간대 별 요금제보다 큰 가중치를 두어 전력수급에 미칠 영향을 최소화하는 형태를 띠고 있다. 그러나 전기자동차 보급률이 증가하면 기존의 요금체계는 배전계통의 전압위배 문제를 효율적으로 해결할 수 없다. 이에 본 논문에서는 배전계통사업자가 전기자동차 충전사업자에게 전압상황을 고려하여 권고 충전량을 알려주고, 이를 위배할 시에 차등요금을 부과하는 요금체계를 제안한다. 권고 충전량 산정의 목적함수는 전압마진의 최대화로 하여 혼합 정수 비선형 프로그래밍을 통해 해를 구하였다. 아울러 본 논문에서 제안하는 차등 요금 효과를 확인하기 위해 69모선 배전계통 사례연구를 진행하였다. 이를 통해 기존의 요금 체계에 비해 제안한 요금 체계가 효율적으로 배전계통의 전압신뢰도를 회복하는 것을 확인하였다.

Design and characterization of highly reliable polycrystalline Silicon- and Oxide thin-film transistors

최성환 서울대학교 대학원 2012 국내박사

Recently the high-resolution flat panel display (FPD) such as active-matrix organic light-emitting diodes (AMOLEDs), ultra definition display has been gained a lot of attention. Especially, both low-temperature polycrystalline silicon (poly-Si) TFTs and oxide-based TFTs have been considered as a pixel element of driving circuit in the AMOLED displays due to their high current driving ability. The poly-Si TFTs crystallized by excimer laser (wavelength =308nm) exhibit a better electric characteristics compared to a-Si:H TFT which is widely used in LCD industry. However, they suffer from degradation under electrical bias stress. Reliability of poly-Si TFTs should be improved for achieving the high quality flat panel displays. The importance of short-channel ELA poly-Si TFTs for high-resolution displays can be attributed to their high current driving capability with increasing display resolution. Short-channel poly-Si TFTs may be suitable for integrated circuits such as gate drivers, which require a large driving current. However, the reliability of short-channel poly-Si TFTs becomes a serious problem when the channel length is decreased. Besides electrical stress, we should consider the light- / temperature-induced effect on reliability of poly-Si TFTs. To date, the degradation of short-channel poly-Si TFTs with various electrical bias temperature and light-induced effect has been reported scarcely. In this work the mechanism of degradation in laser crystallized poly-Si TFTs was investigated with various channel lengths under various stress conditions in order to verify the reliability of short channel poly-Si TFT under practical application. We studied the reliability of the ELA poly-Si TFT under DC and AC bias stress with various channel lengths ranging from 1.5μm to 7μm. The threshold voltage of the short-channel TFT underwent a significant shift due to the bias stress, whereas that of the long-channel TFT was relatively stable. We have also proposed and verified a novel device structures for improving the reliability of poly-Si TFTs. Recently, zinc-oxide (ZnO) based thin-film transistors (TFTs) with high driving current and mobility have attracted a considerable interest for advanced displays, such as active matrix organic light emitting diode (AMOLED) displays. TFTs with high mobility, steep subthreshold swing are required for pixel transistor and peripheral circuit of AMOLED as the resolution of display increases. The oxide TFTs which exhibit better current uniformity than ELA poly-Si TFTs and superior electric characteristics compared to a-Si:H TFT. Among them, amorphous indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) TFTs exhibit better electric characteristics and stability compared to amorphous silicon based TFTs, the dominant present-day TFT technology. It is well known that the electric characteristics of oxide TFTs are considerably influenced by the deposition conditions of the passivation layers. Because the top of the active layer was exposed during surface passivation, it could remarkably and directly affect the electric characteristics and reliability of the device by changing the material and the fabrication process of the passivation layers. In this work, we investigated the effect of different deposition temperature for SiOx passivation layer of amorphous IGZO TFTs analytically. Also, we improved the electric characteristics and reliability of IGZO TFTs by employing a double SiOx passivation layer. We also propose novel organic passivation materials (CYTOP) for improving the electrical characteristics and reliability of a-IGZO TFTs, exploiting the very low annealing temperature (180oC). We successfully fabricated oxide TFTs with solution-processed CYTOP passivation to avoid plasma damage and minimize environment-related reactions. In addition, we improved the electrical characteristics of IGZO TFTs, by adopting an IGZO-doped ITO seed layer into ITO film processed without intentional heating as a novel source and drain material. It has been already reported that the S/D layer could greatly affect the electric characteristic of TFTs centering on thin film properties. The proposed source and drain material form IGZO TFTs with superior electrical characteristics compared to those of a conventional ITO electrode layer due to formation of interfacial reactions between IGZO-doped ITO and IGZO layers, producing additional oxygen vacancies and reduced contact resistance. 최근 들어 능동형 유기 발광 다이오드 (AMOLED), 초고해상도 (UD) 디스플레이와 같은 고성능 평판 디스플레이에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 저온 다결정 실리콘 (poly-Si) 박막트랜지스터(TFTs) 산화물 반도체 기반 (oxide-based) 박막트 랜지스터는 우수한 전류 구동 능력을 가지고 있어서 AMOLED 디스플레이의 구동 회로에 충분히 적용될 수 있을 것으로 기대를 받고 있다. 엑시머 레이저 (파장: 308nm) 를 이용해 결정화된 다결정 실리콘 박막 트랜지스터는 비정질 실리콘 박막트랜지스터 (a-Si:H TFT) 보다 우수한 전기적 특성을 갖는다. 하지만, 전기적 스트레스 조건에서 다결정 실리콘 박막트랜지스터 역시 신뢰성 열화 문제를 가지고 있다. 고성능 평판 디스플레이에 적용되기 위해서 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 신뢰성은 반드시 개선되어야 한다. 디스플레이 해상도가 늘어남에 따라 높은 구동 전류 능력 때문에 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 중요성은 더욱 증가하고 있다. 더욱이, 이중에서 높은 구동 전류를 출력시킬 수 있는 장점 때문에 집적회로에서 짧은 채널 다결정 실리콘 박막트랜지스터가 주목받고 있다. 그러나 채널 길이가 짧아짐에 따라 짧은 채널 길이를 갖는 다결정 박막트랜지스터의 신뢰성은 심각한 문제로 대두되고 있다. 전기적 스트레스 이외에도 광 및 온도 의존성에 따른 다결정 실리콘 박막트랜지스터 소자의 신뢰성 역시 고려해야 한다. 지금까지 광 및 온도 환경이 결합된 전기적 스트레스 인가시 짧은 채널길이의 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 신뢰성에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 실제 구동 환경과 유사한 조건에서 레이저 결정화된 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 채널 길이에 따른 전기적 신뢰성 열화를 분석하였다. 채널 길이를 1.5μm 에서 7μm 로 많이 변화시켜가면서 DC 과 AC 전기적 스트레스에 따른 신뢰성 특성을 살펴보았다. 동일한 전기적 스트레스 조건에서 짧은 채널 길이를 갖는 다결정 실리콘 박막트랜지스터의 문턱전압 (threshold voltage) 은 크게 변화한 반면에 긴 채널 길이를 갖는 소자의 경우에는 거의 변화가 발견되지 않았다. 이러한 짧은 채널 길이를 갖는 다결정 실리콘 박막트랜지스터 소자의 신뢰성을 향상시키기 위해서 새로운 소자 구조를 제안하였고, 그 효과를 simulation 및 실제 실험 결과를 통해서 확인하였다. 이와 함께 높은 구동 전류 및 이동도 특성을 갖는 산화아연 (zinc-oxide : ZnO) 반도체 기반 박막트랜지스터가 AMOLED 와 같은 고성능 디스플레이에 적용될 수 있을 것으로 큰 기대를 받고 있다. 산화물 기반 박막트랜지스터 소자는 비정질 실리콘 박막트랜지스터보다 전기적 특성이 우수하며, 다결정 실리콘 박막트랜지스터보다 전류 uniformity 특성이 낫다. 이들 가운데 특히 비정질 indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) 박막트랜지스터가 우수한 전기적 특성 및 신뢰성을 가지고 있어 최근 들어 큰 주목을 받고 있다. 산화물 기반 박막트랜지스터의 전기적 특성은 보호층의 증착 조건에 의해 크게 좌우되는 것으로 널리 알려져 있다. 표면 보호층 (Passivation layer) 증착 과정에서 반도체층의 상부층이 공기중에 노출되기 때문에, 보호층의 물질 및 제작 공정을 변경하는 과정에서 산화물 기반 소자의 전기적 특성 및 신뢰성에 큰 변화를 야기시킬 수 있다. 본 연구에서는, 비정질 IGZO 박막트랜지스터 소자의 SiOx 보호층증착 온도를 달리하여 전기적 특성 및 신뢰성에 끼치는 영향성을 심층적으로 분섟하였다. 또한 이중 SiOx 보호층 구조를 새로이 적용하여 IGZO 박막트랜지스터 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 개선하였다. 이와 함께 매우 낮은 어닐링 온도 (180oC) 조건을 갖는 새로운 유기보호막 (CYTOP) 을 적용하여 마찬가지로 IGZO 박막트랜지스터 소자의 전기적 특성 및 신뢰성을 향상시켰다. CYTOP 보호막을 소자에 적용함으로써, 플라즈마 악영향성을 배제하고 환경과 관련된 반응을 줄일 수 있음을 확인하였다. 더불어, 상온에서 IGZO와 ITO 물질을 함께 증착한 초기층 (seed layer) 을 새로이 적용한 ITO 소스/드레인층 구조를 IGZO 박막트랜지스터 소자에 적용하여 전기적 특성을 크게 향상시켰다. 소스/드레인층이 산화물 기반 박막트랜지스터의 전기적 특성에 큰 영향을 끼친다는 내용이 기존에 보고된 바 있다. 제안된 소스/드레인층을 적용함으로써 기존 ITO 박막을 소스/드레인층으로 사용한 IGZO 소자 대비 훨씬 더 우수한 전류 구동 능력을 확인하였다. 이는 초기층과 IGZO 반도체층간의 상호 반응이 이루어지면서 (interfacial reaction) 추가적인 산소 결함 (additional oxygen vacancies) 이 발생하였고, 접촉 저항 성분이 감소하였기 때문이다.

전기차 증감발 용량을 고려한 송전제약 단기 발전계획

김담 서울대학교 대학원 2018 국내박사

재생 에너지의 확대정책에 따라 점차 높아지는 전력계통의 재생 에너지 도입률은 출력 변동성과 예측의 불확실성 증가를 야기한다. 따라서 기존과 동일한 방안만으로 계통운영을 지속하는 것은 증대되는 변동성과 불확실성에 대처할 수 있는 증감발 용량의 부족 상황으로 귀결된다. 증감발 용량이 부족하다면 안정적인 전력계통의 운영이 용이하지 않다. 이러한 상황하에서 전기차를 계통상황에 맞도록 운용한다면 이를 적절히 상쇄할 수 있다. 본 논문은 전기차를 증감발 용량 자원으로 활용하여 계통의 유연성을 향상시키는 방안을 제안한다. 더불어 계통에서 필요로 하는 증감발 용량이 점차 증가하여 증감발 용량이 송전선에 미치는 영향을 간과할 수 없게 됨에 따라 증감발 용량을 포함한 송전제약 고려 방안을 제안한다. 이와 같은 방안을 통하여 송전선의 물리적 한계를 넘어서지 않는 범위에서 증감발 용량의 이행성을 담보한다. 한편 제안한 방안에 전기차의 적용이 가능하도록 위치상태, 연결상태, 충전상태를 확률적으로 고려한 전기차의 활용 가능 용량 산정방안을 제시한다. 또한 증감발 용량의 산정방안을 개선하여 더욱 효과적인 계통운영이 될 수 있도록 유도한다. 기존의 증감발 용량 산정방안에서는 시간과 관계없이 증감발 용량의 불확실성을 항상 같은 값으로 설정했다. 기존 방안과는 달리 증감발 용량의 시간대별 불확실성 산정방안을 제안한다. 예측한 부하량과 재생 에너지의 설비용량 및 예측 출력량 등의 계통 상황을 반영하여 증감발 용량의 불확실성을 산정한다. 본 논문에서는 제안한 증감발 용량 확보방안의 개선안을 통하여 더욱 효과적으로 계통을 운영할 수 있음을 제시한다. 또한 전기차를 증감발 용량자원으로써 활용하는 방안을 제안하며 활용가능성을 살펴본다. 더불어 송전제약을 고려한 경우 전기차가 더욱 유의미하게 이용될 수 있음을 검증한다.

전기적 강성 조절 방식의 미세 전기 기계 공진형 가속도계에 관한 연구

이병렬 서울대학교 대학원 2004 국내박사

공진형 가속도계는 외부 관성력에 의한 고유 진동수 변화를 검출하는 센서로, 주파수 출력형이기 때문에 그 자체로 디지털화 되어 있고, 감도 정밀도가 높으며 상시 자기 진단이 가능하다. 이러한 장점을 소형/저가의 실리콘 MEMS(micro electro mechanical systems) 기술로 구현하기 위한 시도가 최근 10여년간 계속 되어 왔다. 현재는 기존에 사용되던 수정 발진자 방식을 실리콘 재질로 구현하는 진동 빔형 가속도계(vibrating beam accelerometer, VBA)가 주류를 이루고 있다. 그러나 수정 발진자 형에 비해 감도가 낮고 제작 및 패키징 과정에서 발생하는 응력에 의한 특성 변화가 너무 크다는 문제가 존재한다. 본 논문에서는 이러한 실리콘 VBA의 한계를 극복할 수 있는 새로운 원리의 공진형 가속도계를 제안한다. 제안된 방식은 외부 관성력에 의해 공진계의 전기적인 강성이 변하는 원리를 사용하며, 이에 의해 전체 유효 강성과 고유 진동수가 바뀌는 구조이다. 이는 기존의 실리콘 VBA와는 달리 관성력에 의해 전기적 강성이 달라지기 때문에 제작 과정에서 발생하는 공정 오차나 응력에 의한 영향을 후단에서 전기적으로 보정할 수 있다는 큰 장점이 있다. 먼저 본 논문에서는 제안된 전기적 강성 변화를 동작 원리로 이용하는 가속도계의 모델링과 해석을 통해 체계적인 설계 방법을 제시한다. 또한 제작 공정을 고려하여 성능을 높이기 위한 구조 설계를 제시하고 이를 구현하여 이론의 적합성을 검증 하였다. 특히 본 논문은 전기적 강성 변화라는 새로운 원리를 적용한 MEMS 공진형 가속도의 설계요소에 대한 모델링과 해석을 통해, 설계를 진행하고 결과를 검증한 최초의 시도인 점에서 의의를 갖는다. 제작 공정은 웨이퍼 단위 진공 실장을 포함하는 일괄 공정을 설계하였으며, 이는 구동 전극과 고정 전극이 별도의 층에 형성되기 때문에 구조물 설계 자유도가 높고, 고정 전극의 배치가 진공 실장의 기밀성 유지에 영향을 주지 않는 방식이다. 진공 실장 결과는 Q-factor를 계측하여 내부 진공도를 간접적으로 계측하였으며, 고온 가속 시험을 통해 상온에서의 장기 동작 수명을 확인하였다. 제안된 제작 공정은 진공 실장을 포함한 전 과정을 일괄 공정으로 진행할 수 있기 때문에 실리콘 MEMS 기술의 장점을 최대한 살릴 수 있다. 또한 구조 설계상 특별한 제약 요인이 없기 때문에 기밀성이 요구되는 다양한 소자의 제작 공정에 적용할 수 있는 방식이다. 제작 완료된 공진형 가속도계를 신호 처리부와 연결하여 전체 가속도계 시스템을 구성하고 성능 및 환경 시험을 수행하였다. 성능 시험 결과는 입력 범위 ±10g에 대해 출력 감도는 32.1㎐/g와 바이어스 안정도는 0.47mg로, 해석적 결과와 근사적으로 일치함을 확인하였다. 또한 열충격 및 내충격성 시험을 통해 사용 환경에 대한 신뢰성을 검증하였다. A resonant accelerometer senses acceleration by measuring the natural frequency shift of the resonator under the inertial loading of the proof mass. The main advantage of the device is the immunity to noise, since it generates frequency as output signal. The interfacing of the resonant accelerometer to a digital system is greatly simplified due to the quasi-digital nature of the output. Moreover, it has continuous self-test capability by monitoring the vibrating characteristics. In the past decade, there have been several works to implement high sensitive resonant devices using a silicon micro-machining technology. The most widely used scheme is the vibrating beam accelerometer (VBA), which employs the transferring of the inertial force to the axial load in the resonant beams to alter the mechanical stiffness. However, the silicon VBA has low sensitivity compared to the conventional quartz device, and is prone to be affected by the residual and package induced stress. This paper suggests a novel resonant accelerometer to overcome the technical limitations of the silicon VBA. The proposed sensor utilizes the gap-sensitive electrical stiffness variation induced by the external inertial force. This scheme has the capability to compensate the effect of the fabrication error and the package induced stress by using an electric means. In this paper, the systematic design approach of the proposed accelerometer is described using a modeling and theoretic analysis of the electrical stiffness changing principles. In addition, the new sensor topologies are suggested to improve the performance regarding the fabrication process. The main contribution of this paper is the first approach to design and verify the proposed MEMS resonant accelerometer by modeling and analysis of the design parameters. For the implementation of the proposed sensor, the batch fabrication process including the wafer level vacuum packaging is designed. In this process, the interconnection between the bottom electrodes and the metal pads does not affect the hermetic property. The vacuum packaging is characterized by the quality factor measurement, and the long-term lifetime is confirmed by the accelerated degradation test at a high temperature environment. The proposed process could be one of the best choices for the MEMS device requiring hermetic sealing, because the process can be performed at a wafer level. To evaluate the specific performance and environmental durability, the acceleration sensing system is implemented using the fabricated device and the sensor interface electronics. The measured sensitivity is 32.1㎐/g at ±10g input range, and shows 0.47mg bias stability. The test results of the proposed device are in broad agreement with the theoretical design data. In addition, the environmental reliability was confirmed by the thermal cycle and the shock durability test.

Sensitivity enhancement of affinity-based electrical biosensor using pulsed measurement

우준명 서울대학교 대학원 2012 국내박사

전기적 바이오센서의 최근 발전에도 불구하고, 광학적 방법에 비해 낮은 감도와 선택도는 실용화에 가장 큰 장애요소이다. 친화도 기반의 바이오센서에 있어서 나쁜 선택도는 낮은 친화력과 비특이 반응에 기인한다. 또한 특히 전기적 바이오센서에, 낮은 감도는 반대이온의 전하 차단 효과에 의한 전기적 신호의 약화에 기인한다. 본 논문에서는 전기적 바이오센서의 장점을 이용하여 선택도 및 감도를 동시에 향상시키는 펄스 측정 방법을 제안한다. 펄스 측정을 구현하기 위해 탄소 나노튜브 채널과 금 나노입자 위에 고정화된 프로브 DNA 및 방사형 전극으로 구성된 연구실에서 직접 제작된 센서 어레이를 사용하였고, 펄스 발생기와 증폭기로 측정 회로를 구성하였다. 상보적인 탐지대상 DNA 를 가한 후 그로 인한 채널 전도도의 변화를 통해 DNA 혼성화 정도 및 여부를 감지한다. 프로브와 대상 분자 사이의 혼성화 효율 향상을 위해 혼성화 중에 채널을 통해 프로브 분자에 전기적 펄스를 가하였다. 전하를 띄고 있는 프로브 분자는 전기 펄스에 의해 진동하며, 이는 DNA 혼성화 효율 향상을 이끌어낸다. DC 조건 및 전기를 가하지 않은 경우와 비교할 때, 펄스를 가하는 방법은 Tris-EDTA (TE) 완충용액에서의 실시간 측정에서 향상된 선택도로 비약적으로 감도 향상시켰다. 또한 혈청 조건에서도 상당히 낮은 농도의 한계까지 탐지할 수 있었다. 이온에 의한 전하 차단 효과를 극복하기 위해 계단 펄스에 대한 과도응답 관찰을 제안하였다. 과도상태에서는 계단 펄스에 의해 전기이중층이 순간적으로 확장하며, 그에 따라 전하를 가진 분자를 감싸던 반대 이온들이 밀려나게 된다. 단일가닥 DNA 와 이중가닥 DNA 의 과도응답을 비교하여, DNA 센서의 감도향상을 수치해석적 시뮬레이션과 실험으로 증명하였다. 과도상태 측정방법은 실시간 측정이나 또는 혼성화가 끝난 이후에도 적용 가능하다. 이 펄스 측정 방법은 DNA와 단백질, 펩티드 등의 탐지에 쓰이는 일반적인 전기적 바이오센서 플랫폼으로 확장 적용이 가능할 것이다. 본 연구를 통하여 우리는 펄스 측정 플랫폼과 결합된 전기적 바이오센서가 충분한 감도와 신뢰성으로 label 없는 대상 분자의 실시간 감지를 현실화시킬 수 있을 것으로 기대한다. Despite of recent advances in the electrical biosensors, lower sensitivity and worse selectivity than the optical sensors are the obstacles to success in practical uses. In the affinity-based biosensor including the electrical sensor, the worse selectivity results from the low affinity constant and activated non-specific binding event. Specifically for the electrical biosensors, low sensitivity arises from weakening of the electrical signal from the molecule charges due to the screening effect by the counter-ions. In this dissertation, we propose a new scheme, hereafter the pulsed bias scheme, to enhance both the selectivity and the sensitivity in the electrical biosensor. In order to verify the scheme, we applied the pulsed bias to the biosensor platform developed by our group in Seoul National University, where the sensor cell arrays consist of the carbon nanotube network (CNN) channel formed on the concentric electrodes. The CNN channel is decorated with the Au (gold) nano particles (GNP) on which the thiolated probe DNA (p-DNA) immobilized. The island electrode in the concentric electrodes is connected to the pulse generator and the operational amplifier. From the change of channel conductance after applying complementary target DNA (t-DNA), we detect the DNA hybridization event. For the enhancement of the hybridization rate between the probe and target molecule, electrical pulse bias is applied to the probe molecule via CNN channel during the DNA hybridization events. The probe molecule which has electrical charge oscillates with the pulse trains resulting in the enhancement of DNA hybridization efficiency. Compared with the DC and non-biasing condition, the pulse biasing method gives better selectivity and remarkable sensitivity enhancement in Tris-EDTA (TE) buffer solution in the real time measurement. In addition, very low limit of detection (LOD) can be achieved even in human serum condition. To overcome the charge screening effect, we propose a transient measurement, where the measurement of the channel current is performed during the transient response of the mobile ions in the electrolyte system after the step-pulse bias applied to the drain electrode. On the transient state, electric double layer (EDL) is extended by the step-pulse bias instantaneously, and counter-ions screening the charged molecule are swept away. Comparing the transient response of between the single-stranded DNA (ssDNA) and the double-stranded DNA (dsDNA), we obtain the improved sensitivity in the measurement as well as in the numerical simulation results. The transient scheme may be applied during the hybridization event while the pulse bias is applied (real time measurement) or after completion of the hybridization events. The pulsed bias scheme may be extended to general electrical biosensor platforms for detecting DNAs, proteins and peptides. The electrical biosensor platforms with the pulsed bias scheme may facilitate the label-free real time detection of the target molecule with considerable sensitivity and more reliable and rapid detection even in human serum.