리튬 이온 전지용 실리콘 혹은 주석계 리튬 합금 물질을 위한 나노 와이어 및 마이크로 패턴 기판을 이용한 구조 개선

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 공과대학 화학생물공학부, 2017. 8. 김재정.친환경, 고에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 리튬 이온 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 음극으로 사용되고 있는 흑연(372 mAh/g)은 다른 음극 활물질에 비해 상대적으로 낮은 이론 용량을 가지고 있어 용량을 향상시킬 수 있는 가능성이 크다. 이를 위해 높은 이론 용량을 가지는 음극 합금 물질에 대한 여러 연구가 진행되어 왔지만, 용량이 큰 만큼 부피 변화에 의한 전극의 퇴화 현상도 심하였다. 활물질의 퇴화 현상을 줄이기 위해 나노 크기의 활물질을 이용하여 절대적인 부피 변화를 줄이는 방법, 완충 물질과 함께 전극을 만들어 발생하는 응력을 감소시키는 방법, 다공성 구조를 만들어 공간을 통해 스트레스를 완화하는 방법 등 많은 연구가 진행되었다. 하지만 이러한 시도 역시 활물질 사이의 접촉을 유지하기 위해 다량의 도전재와 바인더를 첨가해야 해 에너지 밀도를 낮추고, 높은 표면 에너지에 의해 자기 응집이 일어나 입자의 크기가 커지며, 입자 사이의 접촉 수가 많아 접촉 저항이 커져 전기 전도도에 제한적인 단점이 있었다. 본 연구에서는 이러한 나노 크기의 개선 방법의 문제점을 극복하기 위해 마이크로 크기와 나노 크기의 개선 방법 조합해 전지의 성능을 향상시키고자 하였다. 전극의 용량 향상을 위해 합금 물질 중 큰 이론 용량을 보이는 실리콘(4200 mAh/g)과 주석(994 mAh/g)을 이용하여 전극을 제작하였고, 전극의 특성을 향상시키기 위해 구조적 개선을 진행하였다. 먼저 반도체 공정에서 주로 사용되는 미세전자기계시스템 공정을 이용하여 기판에 마이크로 크기의 톱니 모양과 피라미드 모양의 패턴을 만들고 그 위에 실리콘 활물질을 물리 기상 증착법을 이용하여 필름 형태로 올림으로써 실리콘 활물질의 퇴화를 완화시키고자 하였다. 톱니 모양 패턴과 피라미드 모양 패턴은 전극 표면적을 각각 10%와 40% 증가시켜 전지의 충∙방전 시 발생하는 응력을 완화시켰고, 피라미드 모양 패턴 기판을 이용해 제작한 전극의 경우 50번째 사이클까지 약 500 mAh/g의 용량을 유지하였다. 뿐만 아니라 기판에 형성된 패턴의 경우 충∙방전동안 기판 모양은 유지되므로 패턴이 지속적으로 응력 완화에 도움을 줄 수 있는 장점이 있었다. 특히 패턴의 오목한 부분에서 활물질의 퇴화 현상이 줄어들었는데, 그 결과 피라미드 모양의 패턴 전극을 사용하여 20번째 사이클에서 실리콘 활물질의 피복률을 약 65%까지 유지하였고 높은 충∙방전 속도에서 다른 패턴 전극보다 높은 용량 유지율을 보였다. 마이크로 크기의 구조 개선뿐만 아니라 나노 와이어 구조를 통한 나노 크기의 구조 개선을 진행하였다. 나노 크기에서는 구조적으로 다루기 힘든 실리콘 대신 음극 활물질로서 주석을 이용하여 실험을 진행하였다. 구리를 산화시키는 방법으로 구리 산화물 나노 와이어 구조를 형성하였고, 전기 도금을 통해 주석/구리 산화물 형태의 나노 와이어 활물질을 제작하였다. 주석뿐만 아니라 구리 산화물 역시 리튬 이온 전지에서 음극 활물질로 사용될 수 있고 다른 도전재나 바인더의 사용 없이 주석이 직접 구리 산화물과 접촉하고 있어 전극에서 에너지 밀도를 향상시킬 수 있었다. 주석/구리 산화물 나노 와이어 전극은 70번째 사이클까지 약 89%의 용량 유지율을 나타내었고, 속도 특성 결과에서도 16 C-rate에서 56%의 용량 유지율을 확인할 수 있었다. 하지만 장기 사이클에서 나노 와이어 구조 전극의 퇴화 현상이 관찰되었다. 200번째 사이클까지 충∙방전을 진행할 경우 68%의 용량 유지율을 보였고, 특히 약 100번째 사이클 부근에서 급격한 용량 퇴화가 관찰되었다. 이는 주사전자현미경을 통해 전극 제작 시 압착하는 과정에서 나노 와이어들이 압착되고 눌려져 충∙방전동안 나노 와이어의 구조가 허물어지기 때문인 것을 확인하였다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 앞서 만들었던 마이크로 크기의 패턴 기판 위에 나노 와이어를 제작하였다. 표면적 증가가 가장 컸던 피라미드 모양 패턴 기판을 사용하여 나노 와이어 구조를 형성하였고, 전지의 충∙방전을 진행한 결과 200번째 사이클까지 용량 유지율 92%를 유지하였고 100번째 사이클 부근에서 급격한 전극 퇴화도 보이지 않았다. 이로써, 마이크로 크기와 나노 크기의 조합된 구조 개선을 통해 합금 음극 물질을 이용하여 높은 용량, 향상된 속도 특성 및 장기 특성을 가지는 전극을 성공적으로 얻을 수 있었다.As demand for environmental-friendly energy and high energy density has increased, research on Li-ion batteries has been actively carried out. Graphite (372 mAh/g), which is widely used, has a relatively low capacity as an anode, thus it is highly possible to increase the capacity of anode. For this purpose, studies on alloying materials with high capacity have been conducted, but the main issue was deterioration of the electrode due to the severe volume change. So, various attempts have been made to reduce this deterioration phenomenon by manufacturing nano-sized particles, rods, tubes and relaxing the stress induced by volume change to create space between the active materials. However, these approach had also required the addition of large amounts of conducting agent and binder to maintain the contact between the active materials, thereby lowering the energy density. In addition, the self-aggregation occurred due to the high surface energy which leaded to increase the size of the particles and as the number of contacts between the active materials increased, the contact resistance became large, which was a disadvantage for conductivity. In this study, to overcome these problems, the electrode was fabricated using Si (4200 mAh/g) and Sn (994 mAh/g) which showed large capacity among alloying materials, and structural refinement was carried out to enhance the characteristics. Microelectromechanical system process, which is mainly used in semiconductor processing, was applied to make micro-sized sawtooth and pyramid-like patterns on the Si wafer substrate. The substrates with sawtooth and pyramid-like patterns showed the increased surface area by 10% and 40%, respectively. On the substrate, Si active material was deposited in the form of a film by physical vapor deposition method. Stress induced during cycling was relieved in the space of the pattern and the capacity retention increased by 500 mAh/g at 50th cycle. Furthermore, since the substrate shape was maintained during charging and discharging, the pattern effect could continuously alleviate the stress. Particularly, in the concave region of the pattern, the deterioration of active material was diminished, so that the coverage of the Si active material at 20th cycle reached 65% with the pyramid-patterned electrode and enhanced rate capability was obtained. In addition, the nano-scale refinement with nanowire structure was attempted to improve cycle performance. In the case of nano-structure, instead of Si, which is difficult to handle structurally, Sn alloying material was used. CuO nanowires were prepared by anodization of Cu and Sn/CuO nanowire structure was fabricated by electrodeposition. Not only Sn but also CuO which can be used as an active material in anode was also synthesized. CuO nanowires can increase the energy density of battery to eliminate conducting agent and binder. Moreover, one dimensional structure enhanced the electrical conductivity. Compared with Sn film electrodes, Sn/CuO nanowires electrode showed improved capacity retention, 89% up to 70th cycle. The rate capability of Sn/CuO nanowires electrode also showed about 56% at 16 C- rate. However, deterioration of nanowire-structured electrode was observed in the long-term cycle. Up to 200th cycle, the specific capacity was maintained about 68%, and in particular, abrupt capacity fading was observed at 100th cycle. In the electrode manufacturing process, the nanowires were squeezed and pressed during the pressing process, and the structure of the nanowires was broken down during cycling. In order to improve this problem, the nanowires were fabricated on the patterned substrate previously made. As a result, the capacity retention was maintained at 92% up to 200th cycle and there was no rapid deterioration of the electrode. Through combination of micro-scale and nano-scale structure refinement for alloying material as anode in Li-ion batteries, it was possible to successfully improve the cell performance.CHAPTER I. Introduction 1 1.1.Energy trend 1 1.2.History of battery 5 1.3.Li-ion battery 11 1.3.1.Cathode 11 1.3.2.Anode 12 1.3.3.Separator 15 1.3.4.Electrolyte 16 1.4.Microelectromechanical systems process 23 1.5.Electrochemical process 28 1.6.Purpose of this study 31 CHAPTER II. Experimental 32 2.1.Preparation for Si patterned electrode 32 2.1.1.Preparation of patterned substrate 32 2.1.2.Preparation of Si electrode 33 2.1.3.Electrochemical measurement and characterization 35 2.2.Synthesis of Sn/CuO nanowires electrode on Cu foil 39 2.2.1.Preparation of Sn/CuO nanowires electrode 39 2.2.2.Characterization and electrochemical measurement 40 2.3.Synthesis of Sn/CuO nanowires on pyramid-patterned substrate 45 2.3.1.Preparation of pyramid-patterned substrate 45 2.3.2.Sn/CuO nanowires formation on pyramid-patterned substrate 46 2.3.3.Electrochemical measurement and characterization 47 CHAPTER III. Results and Discussion 51 3.1.Sawtooth- and pyramidal-shape patterned Si anode 51 3.1.1.Patterning on Si wafer substrate 51 3.1.2.Electrochemical behavior of patterned electrodes 58 3.2.Sn/CuO nanowires electrode on Cu foil 70 3.2.1.Preparation of Sn/CuO nanowires on Cu foil 70 3.2.2.Characterization and electrochemical behavior of Sn/CuO nanowires on Cu foil 80 3.3.Sn/CuO nanowires electrode on patterned substrate 113 3.3.1.Long-term cycling stability of Sn/CuO nanowires electrode on Cu foil 113 3.3.2.Preparation of Sn/CuO nanowires electrode on pyramid-patterned substrate 118 3.3.3.Electrochemical behavior of Sn/CuO nanowires electrode on pyramid-patterned substrate 125 CHAPTER IV. Conclusions 130 REFERENCES 133 국문초록 143 Appendix 147Docto

Series-connected Output Universal Link Bidirectional AC-AC Power Converter with High-Frequency Transformer for Grid Interface

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2013. 2. 설승기.본 논문은 계통 연계형 3상 교류 전력 변환 회로를 제안한다. 제안된 전력 변환 회로는 전원 계통과 분산 전원 장치 간의서로 다른 전원 계통 간의 연결 혹은 전동기 구동을 위한 용도로 사용될 수 있다.. 제안된 전력 변환 회로는 입력측과 출력측 사이에 전기적 절연을 제공하고, 둘 사이에 양방향 전력 전달이 가능하도록 한다. 전원 계통으로 입력되는 전류는 정현파의 형태를 띠며 그 역률의 제어가 가능하다. 제안된 전력 변환 회로는 기존의 전력 변환 회로에 비해 수동 소자의 사용이 적다. 전원 계통이 연결된 입력측에 작은 LC 필터만을 사용하고, 입력측 직류단에도 큰 전해 캐패시터를 사용하지 않는다. 전기적 절연 및 전압 크기의 조절 기능은 계통 주파수의 변압기 대신 고주파 변압기를 이용하여 제공한다. 이러한 특징은 전력 변환 회로의 부피와 무게를 줄일 수 있게 한다. 제안된 전력 변환 회로는 모듈화 구조를 가진다. 동일 풀 브릿지 인버터 모듈 12개로 구성된 한 단을 기본으로 하며, 이 단을 쌓아 직렬로 연결함으로써 높은 전압의 전원 계통 혹은 부하에 적용할 수 있다. 한 단의 풀 브릿지 인버터 모듈 12개는 그 연결 구조와 동작에 따라 저주파 양방향 정류기, 정현 변조 풀 브릿지 인버터, 고주파 양방향 정류기의 4가지 종류로 구분된다. 전원 계통에 연결되는 저주파 양방향 정류기는 입력되는 계통 전원의 전압에주파수에 동기되어 스위칭 함으로써 입력 전압을 단순 정류하는 역할을 하며, 여기서 발생하는 스위칭 손실이 거의 없다. 정현 변조 풀 브릿지 인버터와 고주파 양방향 정류기 사이는 고주파 다권선 변압기를 통해 연결되어 있으며, 듀얼 액티브 브릿지 컨버터의 동작과 유사하게 각 부분의 출력 전압의 크기와 위상차를 이용하여 전력 전달을 한다. 출력 풀 브릿지 인버터는 CHB 컨버터의 각 셀과 같이 독립된 직류 전압원출력측 직류단 전압을 이용하여 각각의 출력 전압을 합성하는 동작을 통해하여 부하 전류를 제어한다. 본 논문은 각 부분의 구조와 동작 원리를 유사한 기존의 전력 변환 회로와 비교하여 설명하고, 고주파 전력 전달 부분을 분석하여 제어에 사용할 수 있도록 모델링하였다. 분석된 모델을 토대로 각 상의 출력측 직류단 제어기의 구조를 제시한다. 또한 운전 조건에 따른 고주파 전력 전달 부분의 소프트 스위칭 특성도 분석하였다. 제안된 전력 변환 회로 및 그에 관한 분석들은 실험을 통해 그 타당성을 입증하였다. 제안된 전력 변환 회로를 12 kW 용량으로 제작하여 두 개의 독립된 3상 전원을 연결시키도록 구성하였다. 다양한 운전 조건에서 각 부분의 동작을 확인하였으며, 이 때 입력 상전류가 거의 정현파에 가까운 형태로 유지됨을 확인하였다. 또한 효율과 사용되는 전력 소자와 수동 소자의 측면에서 제안된 전력 변환 회로와 반도체 변압기 회로를 비교하였다.초록 i 목차 iii 제 1 장 서론 1 1.1 연구 배경 1 1.2 연구 목적 3 1.3 논문의 구성 4 제 2 장 기존의 전력 변환 회로 6 2.1 멀티레벨 전력 변환 회로 6 2.1.1 NPC 컨버터 6 2.1.2 CHB 컨버터 8 2.2 고주파 변압기를 사용한 전력 변환 회로 12 2.2.1 반도체 변압기(solid state transformer) 개념 12 2.2.2 고주파 변압기 19 제 3 장 제안된 교류 전력 변환 회로 23 3.1 제안된 전력 변환 회로의 구성 26 3.2 제안된 전력 변환 회로의 부분별 특징 및 동작 설명 29 3.2.1 저주파 양방향 정류기 29 3.2.2 정현 변조 풀 브릿지 인버터와 고주파 양방향 정류기 55 3.2.3 출력 풀 브릿지 인버터 83 3.3 고주파 전력 전달 부분 분석 96 3.3.1 고주파 다권선 변압기의 모델링(modeling) 97 3.3.2 고주파 전력 전달 모델링 103 3.4 출력측 직류단 전압 제어 방법 151 3.4.1 분리 제어(decoupling control) 151 3.4.2 출력측 직류단 전압 제어기 156 3.5 소프트 스위칭 특성 분석 159 3.5.1 정현 변조 풀 브릿지 인버터와 고주파 양방향 정류기 사이의 소프트 스위칭 분석 160 3.5.2 전체 시스템의 소프트 스위칭 분석 182 제 4 장 실험 결과 185 4.1 실험 장치의 구성 185 4.2 저주파 양방향 정류기와 정현 변조 풀 브릿지 인버터의 동작 192 4.3 전력 전달 시의 운전 특성 199 4.4 영전압 스위칭 특성 분석 206 제 5 장 반도체 변압기 회로와의 비교 217 5.1 제안된 전력 회로의 손실 분석 217 5.1.1 풀 브릿지 인버터의 손실 217 5.1.2 저주파 양방향 정류기의 손실 220 5.1.3 고주파 전력 전달 부분의 손실 221 5.1.3 출력 풀 브릿지 인버터의 손실 231 5.2 반도체 변압기 구조의 교류 전력 변환 회로의 효율 분석 236 5.3 전력 소자와 수동 소자의 사용량 비교 242 제 6 장 결론 및 향후 과제 245 6.1 연구 결과 245 6.2 향후 과제 248 참고 문헌 252 ABSTRACT 262Docto

Parallel simulated annealing for travelling salesman problem on SIMD Machine

Maste

이언전과 『우상전』

An official interpreter from the jung in (中人, middle people, a middle class consisting of educated professionals and technical experts), poet Yi Eon-jin (1740~1766; penname: Usang) participated in a Korean goodwill mission to Japan, or Tongsinsa (通信使, envoys for the conveyance of trust), dispatched by the Joseon (1392~1910) court in 1763~1764. During his sojourn in Japan, he supposedly received great praise from Japanese writers by composing a large number of outstanding classical Chinese poems. Thanks to this, Yis fame increased in Korea as well following his return. However, he died at a young age due to illness. Usang-jeon (『虞裳傳』, Biography of Usang) is a biography of Yi authored by Park Ji-won(朴趾源, 1737~1805; penname: Yeonam). Although this text often has been cited as relevant material in the study of Yis literary works, it has rarely been analyzed in depth as a piece of outstanding artistic prose. The present study closely links and examines Yis classical Chinese poetry and Parks Usang-jeon. From the resultant findings, records that Yi won literary fame in Japan are counterfactual and exaggerated. Furthermore, an examination of Hodong Geosil (『??居室)』, My House in the Alley), his representative work, reveals that the writer wandered considerably in terms of ideology, being deeply influenced by not only Confucianism and Buddhism but also Roman Catholicism. In addition, Parks Usang-jeon is an outstanding work as a biography of an artist, contributing significantly to the later idolization of Yi as a genius poet

A Study on Yconsbmjip Housed in Toyo Bunko, Japan

Yeonahmjib(燕巖集) is a collection of writings by Yeonahm Park Ji-rwon (1737-1805), a renowned author of the late Joseon period. Yeonshmjib was posthumously compiled and edited by Park's son, Park Jongvchae, and different versions of manuscripts are available in and out of Korea. Among these, the Yeonahmjib housed in Japan's Toyo Bunko(東洋文庫, hereinafter referred to as "the Toyo Bunko manuscript") has been held in high regard as the closest manuscript to the original among existing manuscripts. Some researchers even claimed that Yeolhailgi(熱河日記) included in the Toyo Bunko manuscript was actually the original Yeolheilei. However, I do not fully agree with such views. In other words, while I acknowledge the fact that the Toyo Bunko manuscript is an excellent text that is close to the original, I do not see it as the original of either Yeonshmjip or Yeolhailgi I attempted to demonstrate this point by conducting a full-fledged study on the Toyo Bunko manuscript. My study found that the Toyo Bunko manuscript is actually another manuscript whose content was significantly modified from the original version of Yeonahmjip compiled by Park Jong-chae, with intervention by some other individuals afterwards, possibly Park Gyu-su, Park Jongr chae's son. Comparison of the Toyo Bunko manuscript with the Yeonshmjip owned by Yeongnam University revealed that the latter is a manuscript that modified and supplemented the former. Therefore, my conclusion is that the Toyo Bunko manuscript is neither the final manuscript nor the original

Park Ji-wons Excursion to Mt. Kumgang and Literary Creation

Starting in the latter half of the 17th century, Korea under the Joseon Dynasty (1392-1910) was swept by a fashion for excursions to Mt. Kumgang, known as the Diamond Mountain. Countless sightseers set out for the mountain, thus leading to a flood of verse and prose travelogues. In 1765, Park Ji-won (1737-1805; pen name: Yeonam) likewise traveled to Mt. Kumgang together with his friends, Sin Gwang-on(申光蘊, 1735-1785) and Yu Eon-ho(兪彦鎬, 1730-1796), and Yu Eon-seon(兪彦䥧, 1722- 1776) the last companions elder brother. Seeing the Sunrise at Chongseok Pavilion (Chongseokjeong Gwanilchul, 叢石亭觀日出), a poem in classical Chinese, and The Tale of Kim the Daoist Immortal (Kim Sinseonjeon, 金神仙傳) are his representative works addressing the experience. Moreover, even in various prose works and Jehol Diary (Yeolha Ilgi, 熱河日記), Park repeatedly reminisced on his excursion to Mt. Kumgang. Although it was thus an important literary event, the trip to Mt. Kumgang has been little studied in existing research on Park. After widely excavating related materials and concretely reconstructing the process of Parks excursion at the time, with this as the background, the present study sought to examine in depth Seeing the Sunrise at Chongseok Pavilion and The Tale of Kim the Daoist Immortal, two masterpieces yielded by the tour of Mt. Kumgang. Such an attempt will help to study the innumerable verse and prose travelogues that were composed as a result of the fashion for excursions to Mt. Kumgang during the latter half of the Joseon Dynasty

Khovanov-Lauda-Rouquier Algebras and R-matrices

이 논문에서는 아핀 양자군 U'_q(g)의 유한차원 표현 V에 대하여, V_aff^{\otimes{\ell}}을 국소화 하여 얻은 공간 위에 Khovanov-Lauda-Rouquier 대수 R_\Gamma(\ell)의 작용을 정의하였다. 이 작용을 이용하면, 유한차원 R_\Gamma(\ell)-모듈의 범주에서 U'_q(g)-모듈의 범주로 가는 functor를 정의할 수 있다. 우리는 V가 아핀 양자군 U'_q(\hat{sl_n})의 가중값이 pi_1인 기본 표현일 때, 이 functor가 기약 R_\Gamma(\ell)-모듈을 기약 U'_q(\hat{sl_n})-모듈로 보내거나 또는 0으로 보내는 것을 증명하였다.For a finite dimensional representation V over a quantum affine algebra U'_q(g), we define an action of a Khovanov-Lauda-Rouquier algebra R_\Gamma(\ell) on a localization of V_aff^{\otimes{\ell}}. Using this action, we define a functor from the category of finite dimensional R_\Gamma(\ell)-modules to the category of finite dimensional U'_q(g)-modules. When V is the fundamental representation of U'_q(\hat{sl_n}) of weight pi_1, we show that the functor sends an irreducible R_\Gamma(\ell)-module to an irreducible U'_q(\hat{sl_n})-module or to 0.Docto