We present a study of transition metal compounds using density functional theory (DFT), and density-corrected density functional theory(DC-DFT). By replacing the self-consistent density with that obtained from Hartree-Fock calculation, i.e., HF-DFT, the abnormality driven by self-interaction error is removed in several important cases. We discuss when and how HF-DFT works by examining 3d orbital dimers using approximate functionals and by comparing the results from self-consistent-DFT and HF-DFT with experimental values.

Auxin response factor (ARF) and Aux/IAA transcriptional repressor family proteins play a major role in auxin's signalling process. Using the GALAXY protein modelling programs, monomer, dimer and oligomer structures of Aux/IAA17 and ARF5 protein were predicted based on the known experimental structures. By analysing the proposed complex structures, key interacting residues on binding site could be determined, and further suggestions for experimental studies were made.

이번 연구에서는 초발수 재료의 주요 특징 중 하나인 Sliding Angle에 관한 연구이다. 초발수 특성을 지닐수록 낮은 Sliding Angle을 가지고 있다. 하지만 특정 소재에 관해서만 Sliding Angle이 연구가 되어 있고, 접촉각의 변화에 따른 Sliding Angle의 경향성에 관한 연구는 거의 없다. 따라서 이번 실험에서는 접촉각 변화와 기판의 기울기에 따른 액체의 미끄러짐에 대한 특성들을 조사하였다. 그 결과 낮은 접촉각에서도 약간의 미끄러짐이 있음을 관찰할 수 있었다.

Prion is a group of the proteins known for its infection mechanisms of Creutzfeldt-Jakob disease (CJD) and other diseases. Solved structures and proven biological roles of fungal prions add tremendous potential to conducting computational simulations. Our research focuses on the binding dynamics of HET-s(218-289), one of the heterokaryon fungal prion originated from Podospora anserina, by calculating the binding free energy using umbrella sampling at 300 K. The binding free energy calculated was $-54.5kcal\;mol^{-1}$, relatively similar to the binding energy of other amyloid fibrils. The simulation result suggests the thermodynamic properties of ${\beta}$-solenoid of HET-s prion and its similarity in dissociation pathways compared to amyloids.

We present a Brownian dynamics simulation study on the diffusion of a neutral tracer particle confined in a regularly crosslinked polymer network, especially, when the tracer size is comparable to the mesh size of the network. Polymer networks with different mesh sizes are prepared and compressed to the extent that the total polymer densities become the same. Irrespective of the network mesh size, the tracer diffusion in the networks is slowed down, showing the subdiffusion on intermediate time scales followed by the normal diffusion at long times. However, the confinement effect on the tracer diffusion becomes more significant when network strands are tightly stretched with smaller mesh size. The time scales of dynamic transitions are analyzed in terms of the probability distribution of time-correlated particle displacements.

알츠하이머병은 치매를 유발하는 가장 주된 원인 질환으로 환자들은 인지장애를 겪게 된다. 현재 치료약으로 사용되는 약으로는 acetylcholinesterase 저해재가 있지만 이 약들의 효과는 미비하다. 그래서 인지기능에 영향을 미친다고 알려진 신경전달물질인 GABA, Glutamate, acetylcholine의 수치를 조절 할 수 있는 $5-HT_6$ receptor antagonist가 현재 개발되고 있다. 현재 여러 antagonist들이 임상실험 되었고, 인지 능력향상에 효과를 보이고 있다. 그러나, $5-HT_6$ receptor의 구조가 밝혀지지 않아 아직 원자적 수준의 결합 분석이 이루어지지 않았으므로 이 부분에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 Homology modeling을 통해 receptor의 구조를 예측하고, 현재 임상실험 중인 antagonist들 중 7개를 docking을 통해 단백질과 리간드의 결합을 예측하였다. Edison에서 Galaxy TBM과 Galaxy Refine을 사용하여 Homology modeling 한 결과 GPCR의 전형적인 모델에 특징적으로 긴 cterminal을 가졌다는 것을 확인 할 수 있었다. 생성된 구조를 가지고 Edison의 Dock 프로그램으로 7개의 antagonist가 어떠한 결합을 하는지 분석하였다. 그 결과, binding pose에 공통적으로 Trp102, Asp106, Val107, Pro177, Phe188, Val189, Ala192, Phe284, Phe285, Asn288, Thr306, Tyr310이 관여하는 것을 docking을 통해 알 수 있었다. 특히, Phe285는 7개의 antagonist 중에 4개와의 interaction을 하고 있는 것을 관찰하였다. 이 연구를 통하여 $5-HT_6$에 효과적으로 결합하여 치료효과를 낼 수 있는 신약을 개발할 수 있다.

유기 화학에서 Aromatic 화합물은 내부 전자의 비편재화로 인해 부가적인 에너지적 안정성을 얻는 화합물을 일컫는다. 이러한 화합물의 aromaticity를 판단하는 보편적인 기준으로는 Huckel's rule이 널리 알려져 있다. 그러나 Huckel's rule은 복잡한 화합물에서는 적용이 어려울 뿐 아니라 최근에는 Huckel's rule에서 벗어난 aromatic 화합물이 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 Huckel's rule의 한계를 보완하고자 aromatic 화합물의 에너지적, 구조적, 자기적 성질을 계산화학적 방법으로 분석하고 이를 토대로 체계적인 기준을 제시하였다. 본 연구에서는 동일한 수의 탄소와 수소로 구성된 $C_nH_n$ 형태의 annulene 또는 annulene 라디칼과 이들의 이온을 계산 대상으로 설정하여 homodesmotic stabilization energy (HSE), C-C결합 길이, nucleus-independent chemical shift (NICS)를 산출해내기 위한 density functional theory (DFT) 계산을 수행하였다. 그 결과 aromatic 화합물은 공통적으로 0보다 큰 HSE 값을 가지며 C-C결합 길이가 비교적 일정하고 0보다 작은 NICS 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 동역학 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법과 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 계산 방법을 이용하여 이온채널의 전하분포, 채널 반지름, 그리고 이온의 농도와 이온의 크기가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향과, 이온 간 상관관계 (correlation)가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향을 조사하였다. 이로부터 이온 간 상호작용에 의해 이온 이동에 제약이 가해지는 이온 간 상관관계 효과는 채널 내 이온 수가 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 평균장 이론에 기반한 PNP 이론은 이온 간 상관관계 효과를 적절하게 기술하지 못하며, 이온 간 상관관계 효과가 중요해지는 이온 채널 관련 결맞음 공명 (coherence resonance) 등 특이 현상을 연구하기 위해서는 이온 간 상관관계를 기술할 수 있는 KLGCMC 모의실험 방법이 필요함을 알 수 있었다.

Polymer collapse transition에 대한 연구가 많이 진행되어왔다. 허나 각각의 microstate에 대한 entropy나 free energy에 대한 계산을 하지는 못하였다. 최근 local nonequilibrium thermodynamics와 관련한 논문이 발표되었는데 이는 비평형 상태에서의 각각의 microstate에 대한 확률 분포를 결정하는 물리량을 발견 및 특성을 규명하여 이 중 특별한 상태가 지니는 "information" 이라는 양이 내부에너지와 엔트로피와의 상관관계가 있음을 보였다. 또한, 이러한 information theory를 이용한 Shannon entropy를 사용하여 entropy를 정의하고 free energy와 같은 물리량을 계산하였다. 따라서 이를 이용하여 information theory를 이용한 Shannon entropy와 이로 정의된 free energy를 이용하여 polymer collapse중 entropy 및 free energy를 계산하였다.

본 연구에서는 고분자의 해밀토니안을 Q-state Potts-Model로 근사하여, 2, 3차원 형태의 선형 고분자 시스템을 모사하고자 한다. 고분자 외부에서 힘이 작용하고 있는 경우와 아닌 경우에 대하여 전산모사 결과를 바탕으로 고분자의 크기의 경향성을 확인하였다. 그 결과, 흔히 사용되는 Flory's Theory와 달리 고분자의 대표적인 특성인 지수(exponent)에 대하여 더 유동적인 관계식을 얻어낼 수가 있었다. 이를 바탕으로, 고분자에서 흔히 사용되고 있는 scaling argument가 잘 적용되는지를 확인해보았으며, 그 결과 일부의 경우에서만 성립함을 확인할 수 있었다.

Protein contact map은 단백질 삼차구조에 대한 정보를 이차원의 이미지로 표현하는 방법의 하나로, 비교적 간략하지만 단백질 구조에 대한 핵심적 정보를 함축하고 있다. 이러한 단백질 구조를 바탕으로 단백질의 internal energy, solvation free energy, free energy 와 같은 열역학 함수를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 이미지 인식에 대한 머신러닝 기법을 사용하여 단백질 구조를 함축하는 단백질의 contact map으로부터 단백질의 열역학적 함수를 예측하는 연구를 진행하였다. 단백질의 main-chain 간의 contact map, side-chain 간의 contact map, main-chain과 side-chain 간의 contact map 들로부터 단백질의 여러 가지 열역학적 함수를 예측하고자 했으며 최종적으로 Convolution Neural Network (CNN) 기법을 사용하여 단백질의 free energy를 ~18 kcal/mol의 범위에서 예측 가능함을 보였다. 본 연구를 바탕으로 단백질의 contact map과 열역학 함수 사이의 상관관계가 있으며, 머신러닝 기법을 사용하여 단백질 contact map으로부터 열역학적 함수를 예측하는 것이 가능함을 보였다.

이번 연구에서 우리는 궤적 앙상블을 이용해 1 차원 Ising 모형의 동역학적 상전이를 관측했다. s 앙상블이라고도 불리는 궤적 앙상블은 활성도의 켤레 변수를 도입해 활성도에 편중을 두어 궤적을 추출한 앙상블이다. 평형상태에 있는 1 차원 Ising 모델에서는 외부 자기장이 존재하지 않을 때 상전이가 나타나지 않는다. 하지만 s 앙상블을 통해서 우리는 1 차원 Ising 모형에서 동역학적 상전이가 존재한다는 사실을 발견할 수 있었다. 이동역학적 상전이는 유한 크기 조정 법칙이 잘 적용되며 2 차원 Ising 모형과 같은 보편성 등급을 가진 것을 통해 두 상전이가 서로 연관되어 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 열역학적 함수인 에너지와 동역학적 함수인 활성도 사이에 선형관계가 존재하는 점을 통해 동역학적 함수와 열역학적 함수 사이의 관계가 존재하는 것을 확인했다. 마지막으로 또 다른 열역학적인 함수인 자화도에 편중을 두었을 때 동역학적 상전이가 일어나는 임계점이 이동하는 것을 통해 에너지 외의 다른 열역학적 함수도 동역학적 함수와 연관된다는 것을 알아냈다.

Multiscale Simulation은 sub-nano scale의 전자 구조에서부터 macro scale의 multibody system에 이르기까지 다양한 시간/공간 스케일을 관통하는 시뮬레이션 기법이다. 즉, 전자수준에서의 변화로 인한 분자 전체의 구조 변화와 그에 따른 기능의 변화를 알 수 있는 simulation 방법으로 다양한 스케일에서 분자의 정보를 얻을 수 있다는 점에서 최근 중요하게 여겨지는 시뮬레이션 방법 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 몇 가지의 EDISON_CHEM 솔버들을 조합하여 Multiscale Simulation의 가능성을 제시하고자 한다. 또한, 세부적으로 양자계산 시에 어떤 이론을 선택하여 계산하면 더 정확한지, basis set 선택 시 발생하는 basis set superposition error(BSSE)로 인한 분자 수준의 물성의 오차는 어느정도 인지 알아보고자 했다. 본 연구에서는 비교적 간단하지만 온실 가스이자 에너지원으로 각광받고 있는 메탄을 대상으로 하였다. 다양한 시공간 스케일을 다루는 에디슨 솔버들 중에 양자 수준의 계산을 할 수 있는 솔버로는 "GAMESS"를 이용했고, 이 결과를 통해 분자 수준의 물성을 알아보기 위한 솔버로는 "사용자 지정 역장을 사용한 일반 분자동력학(general_MD)"과 "두가지 서로 다른 종류의 LJ입자에 대한 분자동력 시뮬레이션 프로그램(sejong_lj))"을 이용했다. 메탄의 상 전이 과정에 대한 연구 결과 Hartree fock (HF) self-consistent theory를 통해 얻은 force field 보다는 Second-order Møller-Plesset (MP2) perturbation theory로 얻은 force field가 더 정확한 상 전이 온도를 예측한다는 것을 메탄의 coarse-grained simulation을 통해 알 수 있었다. 또한, MP2 이론으로 구한 force field에서 BSSE를 보정해주면 실험적으로 구한 메탄의 상 전이 온도와 더 근사한 값의 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 전자 간의 상호작용을 더 정교하게 계산하는 MP2 이론으로 force field를 구해서 BSSE를 보정해주면 계산의 결과가 정확해진다는 것을 알 수 있었으며 이것이 EDISON_CHEM의 솔버들로 가능하다는 것을 제시하였다.

형광화학센서는 형광분자의 화학적으로 유도된 형광의 소광 또는 증광을 통해 생체 등에서 특정 물질을 관찰할 수 있기에 그 활용도가 높다. 본 연구에서는 두 개의 서로 다른 킬레이트 결합자리를 가지는, 파이렌 이중체를 발색단의 형광분자(Pyex)를 이용하여, PET (photoinduced electron transition)와 AID (absorbance intensity decreasing)의 형광 소광 원리에 집중하여, 전자구조계산과 TD (time-dependent) 계산을 근거로 금속 양이온의 형광 소광 원리를 분류하고, 더불어 그에 관여하는 금속 양이온의 원자오비탈까지 탐색하였다. 그 결과 Pyex와 그 칼륨이온 복합체에서는 실험값과 일치하는 형광이, 납과 은 이온 복합체에서는 소광이 나타났다. 구체적으로는 납 이온의 경우 PET를 주된 원인으로 AID와 함께 작용하여 소광을 발생시키고, 은 이온의 경우는 AID에 의해 소광이 일으키는 것으로 밝혀졌다. 또한 납 이온의 p 오비탈이 소광에 관여하는 것으로 볼 수 있는 결과도 나타났다.

We explore the inverse electron demand Diels-Alder reactions of tetrazines with various functional groups employing quantum calculations. In general, the rate of inverse electron demand Diels-Alder reaction depends on molecular orbital levels of electron donor and electron acceptor. Likewise, ${\pi}$ orbital of the dienophile and ${\pi}^*$ orbital of the diene is a key factor. In this work, we discuss the case where the energy of diene's ${\pi}^*$ molecular orbital is not the sole governing factor to determine the reaction rate, rather the rate shows strong correlation with the charge density of dienes.

현재, 빛을 이용한 화학 연구가 활발히 진행되고 있고 이러한 연구는 양자역학을 기반으로 화학에서 상당히 중요한 부분을 차지하고 있다. 또한 컴퓨터의 발전에 따라 여러 계산 모델들이 개발되고 있다. 본 논문에서는 회전파 근사(Rotating Wave Approximation, RWA)를 통해 라비 진동을 이론적으로 확인하고, 가장 간단한 연속파 레이저와 두 에너지 준위에서 시작하여 레이저 펄스와 두 에너지 준위, 레이저 펄스와 이원자분자인 $Na_2$ 분자의 두 전자에너지 퍼텐셜 준위, 그리고 실제 시간 밀도 범함수 이론(Real-Time Time Dependent Density Functional Theory, RT-TDDFT)이란 제일원리계산을 통해 연속파 레이저와 $H_2$ 분자와 $C_2H_4$ 분자에서까지 관찰하였다. 이 연구를 통해 공명 전이의 경우 펄스의 면적이 ${\pi}$의 홀수 배일 때 완전한 입자수 전이가 일어나는 펄스 면적 정리를 확인할 수 있었고, 이원자분자인 $Na_2$의 경우엔 펄스의 지속시간도 입자수 전이에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 더 나아가 $H_2$ 분자와 $C_2H_4$ 분자에서는 RT-TDDFT 계산을 통해 라비 진동을 확인할 수 있었고, 두 종류의 기저함수간의 대조를 통해 기저함수 선택의 중요성을 알아보았고, 가장 중요하게는 레이저를 잘 조작하면 입자를 원하는 상태로 들뜨게 할 수 있다는 것이란 결론을 얻게 되었다.

물 클러스터는 크기에 따라 성질이 달라지는 특징이 있다. 이번 연구에서는 $SPC/F_2$ 모델을 적용한 물 클러스터의 전역 최적구조(global minimum structure)를 구하고, 이로부터 상전이 경향을 예측하는 것이 목적이다. 물 클러스터의 분자 동력학 시뮬레이션 중 simulated annealing을 적용하여 얻은 결과에서 가장 낮은 에너지를 가지는 구조가 전역 최적구조가 되었다. 또, $(H_2O)_N$과 $(H_2O)_{N{\pm}1}$사이의 상대적 에너지 안정도와 타 모델의 전역 최적구조의 비교를 통해 일차 상전이(first-order phase transition)와 이차 상전이(second-order phase transition)의 경향은 각각 짝수인 N=8, 10, 12일 때와 홀수인 7, 9, 11일 때로 나뉘었다.

암으로 인해 사망하는 인류를 위해 많은 연구자들이 노력하고 있다. 하지만 아직까지도 암세포를 선택적으로 파괴하여 완치하는 것은 힘든 일이다. 우리는 암세포에만 특이적으로 작용하는 항암제를 연구하고자 계획하였고, 암세포에만 선택적으로 약물 분자를 전달하는 캡슐을 만들기 위해서 컴퓨터를 이용한 계산화학 기법을 사용하기로 하였다. 3차원 캡슐은 고려할 변수가 너무 많기 때문에 2차원 캡슐을 모델링하여 어떤 조건에서 캡슐이 열리고 닫히는지 확인하였다. 고리의 길이와 고리 말단끼리 서로 끌어당기는 힘이 캡슐이 열리고 닫히는지 주요한 요인으로 작용하였고 이 결과를 통해 실제 항암제로의 적용가능성을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다.

암을 억제시키는 기능을 하는 단백질로 잘 알려진 p53은, 주로 종양세포에서 과도하게 발현되는 단백질인 HDM2와 복합체를 형성하여 비활성화되고 항암기능을 상실하게 됩니다. 때문에 종양세포에서의 p53-HDM2의 상호작용을 억제하기 위해 현재까지 많은 연구가 진행되어왔으며, 다양한 p53-HDM2 억제제가 개발된 바 있습니다. 최근 연구들에 따르면, HDM2와 결합친화도를 높이고 소수성 작용(hydrophobic interaction)에 기여하여 보다 안정한 구조를 만드는 탄화수소체인(staple)을 연결시킨 펩타이드 설계에 대한 관심이 높아지고 있는 추세입니다. 이에, 본 연구에서는 분자동역학 모의실험을 통해서 얻은 탄화수소체인-p53과 비탄화수소체인-p53 및 각각의 HDM2와 결합한 복합체를 기반으로 EDISON의 용매화 자유에너지(Solvation Free Energy) 프로그램을 이용하여 탄화수소체인의 특징 및 역할을 구조적인 측면과 열역학적인 측면으로 분석하여 비교하고자 합니다. 우리 연구에서 비탄화수소체인-p53의 구조는 분자동역학 시뮬레이션을 수행하는 동안 나선구조형태로 풀려 HDM2와 결합 유도 시에 주요결합 아미노산 잔기가 올바른 결합부위와 상호작용하지 못한 결과를 확인한 반면, 탄화수소체인이 형성된 구조는 시뮬레이션 동안에도 펩타이드의 나선구조를 유지시켜 HDM2와 주요 결합을 형성하는 아미노산 잔기들을 올바른 방향으로 배치시켜 HDM2와의 결합친화도를 높였습니다. 이 연구 결과는 탄화수소체인이 펩타이드의 나선성을 유지시키고, HDM2와의 상호작용을 통한 구조적인 안정성 유도 및 용매화 자유에너지에 큰 기여를 통해 p53-HDM2상호작용 억제제에서 긍정적인 역할을 할 가능성을 보여줍니다.

Diels-Alder 반응은 고리형 탄소화합물을 만드는 유기 합성 과정에서 매우 중요한 반응이다. 이 반응은 중간생성물 없이 오직 1 step으로 진행되는데, diene이나 dienophile에 결합한 치환기의 electron donating 및 electron withdrawing 성질에 따라 반응성이 달라진다고 알려져 있다. 이 때 반응물인 diene과 dienophile의 분자 오비탈 및 전이 상태의 에너지 변화를 계산화학을 통해 분석한다면 Diels-Alder 반응을 보다 심도 있게 이해할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 DFT 계산을 통하여 치환기에 따른 활성화 에너지의 크기와 diene의 nucleophilicity 및 dienophile의 electrophilicity를 비교하였다. 이를 통해 electron withdrawing group의 경우 분자의 electrophilicity를 증가시키고, electron donating group의 경우 nucleophilicity를 증가시킨다는 것을 확인할 수 있었다. 그 결과, Diels-Alder 반응이 일어날 때 dienophile의 경우 치환된 electron withdrawing group에 의해 electrophilicity가 증가함에 따라 활성화 에너지가 낮아져 반응이 잘 일어나고, 반대로 diene의 경우 electron donating group이 치환되어 있을 때 nucleophilicity의 증가에 따라 반응이 잘 일어난다는 것을 알 수 있었다.

메탄올 용매 내에서 1,2-dichloroethane ($C_2H_4Cl_2$)의 photo-induced halogen elimination 과정을 계산화학적 방법으로 분석하였다. 특히 실험적 방법으로 분석이 까다로운 중간체 및 반응 메커니즘 분석에 집중하였다. DFT(${\omega}B97XD$ / aug-cc-pVTZ) 계산을 기반으로 진행하였으며, 추가적인 분석을 위해 중간체 샘플링 프로그램이 사용되었다. 그 결과 $C_2H_4Cl_2$ 반응계와 유사하게 bridged 형태의 중간체가 생성되는 것을 확인하였다. 또한 반응물, 생성물, 중간체 2개 및 transition states 2개로 구성된 반응 메커니즘을 밝혀내었다.

실제로 설계되고 시공된 교량을 통한 간단한 모델링 과정을 거쳐 강관의 단면, 아치의 높이를 설계 변수로 설정하여 최적화를 진행하였다.

거의 모든 철근콘크리트 구조물의 보강 강재는 분할된 두개 이상의 철근으로 제작되며, 이러한 철근의 분할 부위를 평행한 두개의 철근으로 겹쳐 설치하는 것을 겹이음(Lap splice)이라고 부른다. 일반적으로 겹이음 설계는 무리없이 설계 강도를 만족시킬 뿐만 아니라 충분히 긴 수명을 가진다. 그러나 550MPa 이상의 항복 강도를 갖는 철근이나 인장 부재의 설계, 초고성능 섬유보강 콘크리트의 보강재 설계와 같은 경우, 현행 철근 겹이음 설계만으로는 그 한계가 발생한다. 따라서 현 겹이음 설계는 관련 기준의 추가와 구조적인 측면에서의 개선이 필요할 것으로 보여지며, 이를 위해 적절한 실험과 데이터 분석, 그리고 컴퓨터를 이용한 새로운 설계 모델의 개발 등의 과정이 필요할 것으로 여겨진다. 본 연구는 균질하지 않은 물성의 파괴를 다루는 RBSN(Rigid-Body-Spring Networks)을 통한 컴퓨터 시뮬레이션으로 더 효과적이고 정확한 겹이음 설계가 가능할 것으로 판단하고, 실제 모델링으로 그 가능성을 검증하였다.

음료수 캔은 우리 주위에서 쉽게 찾아볼 수 있는 밀봉재이다. 캔 음료는 우리 주위에서 아주 쉽게 접할 수 있음에도 불구하고 개봉에 있어서 어려움이 많은 편이다. 성인은 쉽게 개봉할 수 있지만 어린아이나 노약자의 경우 쉽게 개봉하지 못하는 모습을 확인할 수 있다. 음료수 캔 리드부분을 살펴보면 같은 음료일지라도 디자인이 조금씩 다르고, 캔커피의 경우 커피의 종류별로 입구부분이 좁은 것부터 넓은 것까지 다양한 모습을 가지고 있다. 본 연구에서는 에디슨 구조동역학 프로그램을 이용하여 음료수 캔 리드부분의 디자인에 따른 개봉 힘을 비교한다. 응력 특이성이 있는 부분에 대한 합리적인 전단응력 도출 방법을 고려하여 같은 힘을 가했을 경우의 전단응력을 도출하였다. 분석 결과 제품별 개봉하는 데 필요한 힘의 차이를 확인할 수 있었고, 외력보다 내압으로 인한 전단응력의 차이가 더 주요하다는 것을 확인하였다. 도출된 결과는 음료수 캔 리드부 디자인을 효율적으로 개선하는 바탕이 될 수 있다.

The center of percussion(COP) is the point of an extended massive object attached to a pivot where a perpendicular impact will produce no reactive shock at the pivot. COP is an important concept in the field of vibration and dynamics. In vibration, COP causes reduction of vibration and in dynamics, it brings about maximum speed of an object. Many studies about COP are still in progress. However most of the researches have typically focused on the method of mathematical and numerical anlalysis. In this paper, impact analysis was proved by the mechanical energy method using EDISON co-rotational plane beam transient analysis program. The result expressed in acceleration was the relative magnitude of the impulse, which was the indicator of COP. Then, these results were compared with the reference thesis results for exact consequences. Additionally, parametric study of COP was conducted.

비공기압 타이어(Non-Pneumatic Tire)는 공기압 타이어(Pneumatic Tire)와는 다르게 스포크(Spoke)를 이용하여 공기압을 대체하는 타이어이다. 비공기압 타이어는 기존 공기압 타이어가 가지고 있는 펑크 발생이 없고, 공기압을 유지할 필요도 없다. 또한, 온도가 급격하게 변하는 우주에서도 사용이 가능하다. 이런 점에서 비공기압 타이어는 차세대 바퀴로써 주목 받고 있다. 하중이 가해지는 Honeycomb구조를 Edison을 이용하여 유한요소 해석을 진행하고, 각각의 결과를 비교하여 최적의 허니콤 구조를 찾았다.

제조 기술의 고도화가 이루어진 현 시점에서, 제품의 설계방식도 단순구조설계가 아닌 최적설계를 통해 제품의 경제성과 안정성을 동시에 획득하고 있다. 본 논문에서는 인장, 압축, 비틀림과 같은 다양한 힘을 받는 자전거의 크랭크 암에 대해 최적 설계를 진행하였고, EDISON의 Plastic Deformation with Damage Mechanism Analysis SW 프로그램을 통해 유한 요소 해석을 수행했다. 해석은 크랭크암 내부에 응력 값이 가장 높은 $90^{\circ}$를 경계조건으로 표면 응력을 고려한 구조, 내부 응력을 고려한 구조, 트러스를 적용한 구조와 MATLAB을 통해 위상최적화 후 추가적으로 형상을 최적화한 구조를 설계했다. 끝으로 경제성과 안정성을 판단하는 기준으로 각각의 질량 대비 강성을 확인하여 최적의 형상을 제시하였다.

이 논문에서는 워핑 구속조건이 박벽 구조물의 비틀림 거동에 주는 효과를 확인하였다. Vlasov torsion theory를 통해 얻은 이론해 및 EDISON SW의 해석해를 St.Venent torsion theory를 통해 얻은 이론해와 비교하는 방법으로 그 영향을 확인하였다. 이를 통해 Clamped end조건이 단면의 형상 및 단면의 세부 파라미터에 따라 단면의 워핑발생을 제한하여 비틀림거동에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인했다.

다양한 분야에서 복합재료의 중요성이 강조되면서 각각의 재료 특성에 따른 물성을 미시역학적으로 구하는 것에 대한 다양한 방법이 제시되고 있다. 본 논문에서는 5개의 혼합 법칙을 선정하여 전산구조해석을 통한 유한요소해석을 비교 검증한다. 그 과정에서 산출된 결과를 통하여 복합재료의 탄성거동의 오차가 1% 미만인 것을 확인하였고, 프로그램의 해석이 적절하다는 것을 검증하였다. 또한 프로그램과 가장 유사한 혼합 법칙이 무엇인지 확인하고, 체적 비에 따른 오차를 비교하여 가장 적합한 체적 비를 선정하였다.

Auxetic is a structure that behave as negative Poisson's ratio. It is known for high mechanical property like energy absorption and destruction toughness so far. In this paper, we aimed to design auxetic structure which has small internal energy when force is applied and high NPR and over 50N/mm stiffness by using optimization method. We defined length(L), thickness(t), angle(${\theta}_1$, ${\theta}_2$) as design factors and also von-Mises stress, NPR, stiffness as reaction factors. We used Box-Behnken method and conducted 4factors - 3levels experiment design. We also analyzed each models by using CSD_EPLAST, Edison program, and did extra analysis for more accurate results. Finally, we found out the optimal design factors which is satisfied aimed value and increased reliability through factor analysis and validity verification.

비닐하우스는 원예시설 중 가장 중요한 구조물로서 전국에서 이용하고 있으며, 경제적이기 때문에 농업 재배에서 가장 많이 쓰인다. 폭설 시 눈에 의한 하중으로 비닐하우스의 속이 빈 파이프의 변형이 유도된다. 본 논문에서는 비닐하우스의 80%를 차지하는 단동식 구조를 모델로 삼아 비닐하우스 지붕 위치에 따른 눈의 하중을 계산한 후 EDISON 해석 프로그램과 상용 프로그램을 이용하여 비닐하우스에 최대 변위와 응력을 분석하여 농업진흥청에서 제안한 보강재를 해석했다. 추가로 보강재의 접하는 위치를 이동하여 최대 변위와 파이프에 가해지는 응력을 분석하였다.

Gust load is a very important load factor in designing various structures of an aircraft and judging its stability. This is because the blast effect on the aircraft in operation increases the risk of damage to the structure of the aircraft and causes a negative impact such as shortening the fatigue life by generating vibration. Particularly in the case of wing, a change in angle of attack is caused by gust load, and an additional lift acts on the wing, thereby being exposed to various excitational environments. Severe structural damage to the aircraft may occur if the natural frequencies of the aircraft wing are close to or coincident with the frequencies of the gust load applied to the wing. Recent trends of research include flight dynamics analysis considering discontinuous gusts or structural optimization of the blades under gust load. A number of studies have been conducted to interpret gust load response in consideration of irregularities in gusts. In this paper, we tried to imagine the situation of the aircraft subjected to the gust load as realistic as possible, and proposed an algorithm to track back the critical gust profile according to given aircraft characteristics from the viewpoint of preliminary engineering prediction.

본 논문에서는 헬리콥터 블레이드에서 발생하는 자이로스코픽 세차 진동에 대해 연구하고, 능동 제어기 설계를 통하여 진동 저감 시뮬레이션을 수행한다. 이를 위해, 헬리콥터의 전진 비행시 동역학적 응답을 외팔보 조건을 갖는 회전익의 해석이 가능한 EDISON의 기하학적 정밀 보 구조동역학 프로그램을 이용하여 구조 해석을 진행하고 이를 단순 공기력 모델과 연성하여 공탄성 해석을 수행하였다. 실시간 구조 응답을 구하기 위해 EDISON 프로그램 해석 결과를 비선형 수식으로 모델링하는 기법과 트림해석에는 Newton-Raphson 기법 등이 사용되었다.

본 연구에서는 유한요소법 기반의 단면 특성치 해석 프로그램인 EDISON Software 'KSec2D-AE'의 정확성을 검증함으로써, 학부 수준의 비행체 구조해석 및 설계 시 활용가능성을 제시하고자 한다. 이를 위하여, 다양한 요소를 적용해가며 'KSec2D-AE'로부터 계산된 단면강성계수 결과의 요소개수에 따른 수렴성을 확인하였다. 또한 상용 구조해석프로그램인 'MSC NASTRAN'으로부터 구한 하중-변위 계산식을 통해 얻어진 강성계수와 비교하고, 하중을 적용하였을 시 각 중심치(tension center, shear center, principal bending axes)의 특성에 부합하게 구조물이 거동하는지 확인함으로써 'KSec2D-AE'의 단면강성계수 및 중심치 결과를 검증하였다. 그 결과를 통하여 'KSec2D-AE' 프로그램의 유용성을 확인하였다.

This paper aims to build a drone platform based on an optimum design of its single arm. We assumed its single arm as a cantilevered beam with a tip mass. Based on the numerical optimization theory, we conducted validation and optimization of a new design by comparing the results with the similar ones obtained by ANSYS. Finally, this design is reflected in the control simulation, and the requirement of an optimum structural design considering the resonance situation is demonstrated.

In this paper, various webs of I-shaped beam used in aircraft spars are examined. Under the assumption that an aircraft spar is a cantilevered beam with a constant cross-section and is subjected to only bending, four kinds of webs are analyzed for three different sizes. To enable comparison, each hole has the same area and are subjected to the same load by using EDISON 2D Continuum analysis. While circular hole is the most often used, elliptic one is obtained with the minimum von-Mises stress by about 40% decreased. To verify the results gathered by EDISON, comparison was made with ANSYS and analytic predictions obtained with the stress intensity factor K. As comparison shows insignificant discrepancies, it is concluded that a well-designed beam with elliptic holes will be the most efficient spar regarding weight to rigidity ratio in terms of the bending stress.

EDISON 사업은 이공계 교육 연구 산업용 시뮬레이션 SW의 국산화 및 활용에 취지를 두고 있다. 하지만 현실에서 묘사하고자 하는 해석 시뮬레이션을 적절히 수행하기 위해서는 각 SW의 기반이론을 이해하고 해석대상물에 따른 SW의 선택 및 조합과정이 필요하다. 본 논문에서는 이 과정에서의 가이드라인을 제시하고자, EDISON SW만을 이용한 복합재료의 구조해석 시뮬레이션을 수행하여 그 가능성과 한계를 분석하고, 그에 대한 대안을 제시하였다.

Due to the unique characteristic of auxetic material, negative poisson's ratio, it has a variety of distinctive properties compared to conventional materials. Numerous researches have been conducted on the auxetic material in order to find out how to make auxetics. In this study, we analyzed triangular and rectangular patterned rotating rigid units using finite element method. Our purpose is to investigate the mechanical properties of the rotating rigid units and to show their auxetic behaviors. We studied the Poisson's ratio and the bulk modulus of the rotating rigid units depending on their unit cell sizes. The Poisson's ratio and the bulk modulus decreased as the number of unit cells increased. Also, when the geometry of the unit cell was changed, the tendency of the Poisson's ratio and the bulk modulus was also different from the previous case. The results of the Poisson's ratio and the bulk modulus referred that they were critically affected by the number of unit cells and the shape of unit cell.

The purpose of this study is to optimize the artificial lumbar spine with the most lightweight three - dimensional porous structure while satisfying the safety factor of 3. We have introduced representative volumes to proceed with a local analysis and studied the maximum porosity distribution that meets allowable stress. The maximum porosity was studied at 12 points and the intermediate values were predicted based on this points. If the lumbar spine is designed according to this predicted results, the optimal design will be achieved.

본 논문에서는 숏크리트 지보재의 시간 의존적 경화특성을 고려한 터널 지보재의 3차원 유한요소해석을 수행하였다. NATM터널에 대한 기존 숏크리트 지보재 해석방식에 의한 결과화 제안된 시간 의존적 해석방법의 결과를 비교함으로서, 시간의존적 특성이 숏크리트 지보재의 응력 및 내공변위에 미치는 영향을 분석하였다. 시간 의존적 특성을 고려한 3차원 해석방법이 숏크리트 지보재의 변형을 과소평가 할 수 있음을 확인하였다.

최근에는 항공기의 임무 형태나 주위 환경에 따라 변할 수 있는 passive morphing airfoil에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 복잡한 모델링, 실험 과정 및 긴 해석 시간 때문에 아직 여러 chiral 구조를 체계적으로 비교하지 못 하고 있다. 본 논문에서는 이러한 chiral meso structure 중 하나인 Anti-Tetra Chiral 구조를 Hooke's law에 기반을 두어 등가 물성치를 구해보고, 사각형 모양의 연속체 요소로 등가 모델링을 하였다. 그 후, airfoil 내부에 연속체 요소를 직접 적용하여 실제 모델링한 경우와 비교해 본 결과 경향성 파악에 충분한 오차 범위를 얻을 수 있었다. 이를 통해 여러종류의 Chiral meso structure과 기하학적 변수를 적용한 에어포일을 효율적으로 해석할 수 있음을 제시할 수 있다.

DNA 나노구조물을 설계 및 개발, 해석하기 위해서는 기본적인 홀리데이 연결(Holliday junction) 구조에 대한 물성을 아는 것이 필수적이다. 여러 실험 및 시뮬레이션을 통해서 홀리데이 연결 구조 물성을 측정하려는 시도가 많았지만, 아직까지도 홀리데이 구조에 대한 정확한 물성은 얻어지지 않았다. 이번 연구에서는 6HB-DNT 모델을 분자동역학 기법을 이용하여 DNT 모델의 물성을 분석하고, 이를 기반으로 유한요소 모델링을 통해 홀리데이 연결의 물성을 해석한다.

고속도로에서 자주 사용되고 있는 2way 가드레일 형상의 효율성을 탐구해보기 위하여 가드레일 형상과 이와 단면적이 같은 여러 종류의 단면을 가진 보들과 응력 값을 비교하였다. vonMises stress값의 비교를 통해 기존 가드레일의 W모양 단면과 경제적으로는 동일하고 형태는 상이하며 구조적으로 더 안정적인 단면 형상을 찾아보고자 한다. 그 결과 2way 단면의 가드레일 보다는 반원 단면의 가드레일이, 두께가 4T인 2way 모델 보다는 3T인 모델의 안전계수가 더 높음을 확인하였다. 이를 통해 향후 가정이 없는 실제 상황에서는 어떠한 이유 때문에 2way 가드레일 형상을 사용하고 3T보단 4T, 5T를 보편적으로 사용하는지 연구해보면 좋을 듯 하다.

차량용 브레이크의 성능은 브레이크 디스크 로터의 냉각 성능과 밀접한 관련이 있다. 냉각 성능 향상을 위해 디스크 로터에 구멍을 뚫거나 홈을 깎아내어 열 전달면을 극대화 시키거나 열 전도도가 높은 재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 각각 형상이 다른 디스크 브레이크 시스템의 방열 및 제동 성능, 패드 압력에 대한 응력을 분석하고 온도장 근사 및 열전도 해석 프로그램(Heat_transfer, KAIST, EDISON)과 Elastic-Plastic Analysis SW(CSD_EPLAST, 서울과학기술대학교, EDISON) 및 ABAQUS를 이용해 각각의 냉각 성능 및 응력 분포를 비교 분석한다.

많은 공사 현장에는 개구부, 작업발판, 가설계단의 통로 등에서의 추락사고를 방지하기 위해 설치하는 가시설물 중 안전난간이 있다. 안전난간은 작업장에서 현장인부들의 생명과 직결되므로 반드시 적절한 기준에 맞춰 설계를 하는 것이 필요하다. 이러한 안전난간은 표준안전난간으로서 추락재해방지 표준안전작업지침[1]에 의해 설계 기준이 명확하게 명시되어 있으며 난간대와 기둥각 부분 접합부는 쉽게 변형, 변위를 일으키지 않는 구조를 가져야 한다. 본 연구에서는 지침에 지시된 표준안전난간을 실제 설계기준에 맞게 직접 구조물을 모델링하고 EDISON용 구조해석 프로그램인 CASADsovler를 통해 유한 요소 해석을 수행하여 안전난간에 가해지는 응력 및 변위 결과들을 통해 구조의 안정성을 시험해 보았다. 더하여 다구찌 기법과 최적설계에 기반하여 안전난간 무게의 경량 최적화를 위한 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 $Ni_2P$에서의 물의 산화를 Density Functional Theory(DFT) 계산을 이용하여 그 메커니즘을 확인하였다. 기존의 $Ni_2P$ 각 면의 표면 에너지에 관한 연구를 바탕으로 하여 P termination 된 (0001)면을 선택하였고 흡착 에너지를 계산하여 표면에 hydroxide와 oxygen coverage를 결정하였다. 산소 생성반응의 각 단계는 두 개의 site에서 계산되었고 두 site 모두 반응 결정 단계는 $^*OOH$가 형성되는 단계였다. 과전압 값을 비교한 결과 center site가 더 선호됨을 확인하였고 Center site에서 pH=14 일 때의 과전압 값은 0.64 eV으로 계산되었다.

Metal-oxide-semiconductor Field-Effect transistor (MOSFET)을 대체할 기술로서 제안된 Schottky Barrier MOSFET (SB-MOSFET)가 제시되고 있다. 본 연구에서는 SB-MOSFET와 MOSFET을 다양한 소자 파라미터를 변화시킴으로서 양자역학적 전하수송 계산을 바탕으로 특성을 분석한다. MOSFET과 SB-MOSFET은 채널 두께 ($T_{Si}$)가 감소함에 따라 전류량은 증가하고 SS와 DIBL은 증가하였고 Overlap에서는 SS와 DIBL이 커지고 Underlap에서는 작아짐을 보였고 SB-MOSFET는 특히 그 폭이 컸다. 또한 SB 높이가 낮을수록 SB-MOSFET의 전류량이 증가하고 SS는 감소하였고 마찬가지로 Source와 Drain doping concentration이 낮을수록 MOSFET의 전류량은 증가하고 SS는 감소하였다. MOSFET과 SB-MOSFET의 경향은 대체로 비슷하나 변화량의 차이 등이 있었다.

Graphene nanoribbons with zigzag-shaped edge (zGNRs) are predicted to be magnetic insulator at the ground state, attracting significant interest in view of spintronic applications [1]. On the other hand, although they are energetically and thermodynamically more favored than zGNRs [2], graphene nanoribbons with armchair-shaped edge (aGNRs) have been less spotlighted than zGNRs due to the absence of magnetism. Herein, based on the combined density functional theory (DFT) and matrix Green's function (MGF) approach, we consider aGNRs functionalized with various molecular groups, and show that the spin polarizations develop for some of the considered aGNR edge functionalization cases. The origin of the induced magnetism will be discussed within the Lieb's theorem [3]. This work will provide a novel guidance for the development of graphene-based spintronic devices.

본 논문은 1nm 직경인 NW-TFET의 전류구동 능력을 $sp3d5s^*$ model을 통해 분석하였다. 직경이 줄어들수록 띠구조의 밴드 갭이 커지는 것이 확인되었으며, 직경이 줄면 터널링 전류 량이 현저히 줄어, 적절한 재료선택이 필요할 것으로 예측된다. 실리콘과 게르마늄을 동일 조건하에 분석한 결과, 게르마늄 기반 TFET은 실리콘 기반 TFET의 스위칭 성능을 유지 하면서도, $10^6{\sim}10^8$배 정도의 전류 량을 개선 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

알칼리 금속을 도핑한 $BaSi_2$의 p-type 특성에 대하여 이해하기 위하여 density functional theory(DFT) 방법을 바탕으로 하는 결함 계산을 진행하였다. 우선 $BaSi_2$의 Si, Ba vacancies에 대해 계산을 진행하여서 도핑을 하지 않았을 때의 특성에 대해 이해해 보았다. 다음으로 알칼리 금속을 도핑한 구조의 p-type 특성과 비교 분석을 진행하기 위해서 잘 알려진 p-type dopants인 Al, In, Ag을 치환형으로 도핑한 구조의 특성에 대해 분석해 보았다. 마지막으로 알칼리 금속을 도핑하였을 때의 p-type 특성에 대해 계산해 보았고, K을 도핑하였을 때 잘 알려진 p-type dopants보다 더 나은 p-type 특성을 가질 수 있음을 보였다.

본 연구에서는 gate-all-around(GAA) 수직 나노선 Field-Effect Transistor(FET)의 소스/드레인 반도체/실리사이드 접합에 존재하는 Schottky 장벽이 트랜지스터의 DC특성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. Non-Equilibrium Green's Function와 Poisson 방정식 기반의 시뮬레이터를 사용하여, Schottky 장벽의 위치와 높이, 그리고 채널 단면적의 크기에 따른 전류-전압 특성 곡선과 에너지 밴드 다이어그램을 통해 분석을 수행하였다. 그 결과, 드레인 단의 Schottky 장벽은 드레인 전압에 의해 장벽의 높이가 낮아져 전류에 주는 영향이 작지만, 소스 단의 Schottky 장벽은 드레인 전압과 게이트 전압으로 제어가 불가능하여 외부에서 소스 단으로 들어오는 캐리어의 이동을 방해하여 큰 DC성능 저하를 일으킨다. 채널 단면적 크기에 따른 DC특성 분석 결과로는 동작상태의 전류밀도는 채널의 폭이 5 nm 일 때까지는 유지되고, 2 nm가 되면 그 크기가 매우 작아지지만, 채널 단면적은 Schottky 장벽에 영향을 끼치지 못하였다. 본 논문의 분석 결과로 향후 7 nm technology node 에 적용될 GAA 수직 나노선 FET의 소자 구조 설계에 도움이 되고자 한다.

이 논문에서는 2차원 화합물 반도체인 Indium Selenide monolayer의 효과적인 도펀트 원소를 탐색해보았다. 총 4가지 종류의 원소를 도핑시켜 계산을 했다. In 자리에 Mg과 Sn을 도핑시켜 각각 p-type과 n-type으로 만들고 Se 자리에 As과 Br을 도핑시켜 각각 p-type과 n-type으로 만들었다. 변화한 성질을 알아보기 위해 전자 구조를 분석하고 band structure와 DOS를 살펴보았다. P-type 같은 경우, Mg doped InSe는 shallow defect level이 생겨 좋은 반도체로 쓰일 수 있지만 As을 도핑한 InSe는 deep defect states가 생겼다. VBM에서 약 0.67 eV만큼 떨어져있는데 이 수치는 실험값과 비슷한 값이다. N-type 경우에는 Sn doped InSe는 deep defect states가 생겼고, CBM 아래로 약 0.08eV만큼 defect가 생긴 것이 실험값과 비슷하다. Br doped InSe는 Sn doped InSe보다 안정적인 n형 반도체가 될 수 있다.

CMOS device에서 off leakage current로 인한 power dissipation 문제는 미래 소자에 주어진 주요한 과제이다. Nanowire FET은 이러한 문제를 해결할 주요 미래소자로 각광받고있다. 하지만 nanowire FET을 공정할 때 채널 에칭을 완벽한 원형 구조로 가지는 것이 어렵기 때문에 타원형으로 시뮬레이션을 진행해 볼 필요성이 있다. 본 논문에서는 nanowire의 aspect ratio, crystal orientation의 변화에 따른 nanowire FET의 전압-전류 특성 및 transport 특성을 관찰하는 연구를 진행하였다. 시뮬레이션 결과, [100] 방향은 완벽한 원형구조에서 최적인 반면에 [110] 방향은 타원형으로 모델링함에 있어서 장점이 있는 것으로 나타났다.

Monolayer $MoS_2$의 metastable phase인 T' phase가 stable한 H phase보다 안정해지는 조건을 모색하기 위해 substitutional doping을 했을 때와 strain을 걸어주었을 때의 에너지 차이를 DFT 방법으로 계산하였다. Doping을 했을 때와 strain이 있을 때 T' phase와 H phase의 에너지 차이가 감소함을 확인하였으나 H phase보다 T' phase가 안정해지는 조건을 찾지는 못하였다. 하지만 이 방법을 기존의 alkali adsorption 방법과 병행하여 기존 방법의 단점을 보완할 수 있을 것을 기대해 볼 수 있다. 또한 전자구조 분석 중 얻은 dopant의 주기와 족에 따른 경향성은 다른 TMD 물질의 phase engineering을 design할 때 universal한 design rule로서 응용할 수 있음을 기대해 볼 수 있다.

This study investigated the effect of strain on hole mobility and hole effective mass in a p-channel rectangular nanowire with two-dimensional confinement. We obtained the valence energy band structure using the six-band k.p method and calculated the mobility and effective mass of the hole in the [100] direction taking the strain effect into account in the inversion region. The hole mobility of strained silicon was calculated using Kubo-Greenwood formalism. As a result, it showed good performance compared to relaxed silicon, but its magnitude was insignificant.

Silicon 기반 Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET)의 크기가 감소함에 따라 silicon자체의 물성적 한계가 나타나고 있다. 이를 극복하고자 III-V 화합물 반도체가 채널소자로서 각광받고 있다. 본 연구에서는 III-V 화합물반도체 중 $In_xGa_{1-x}As$는 Indium 조성에 따른 전자구조 및 n-type MOSFET의 소자 특성을 본다. Indium의 조성이 증가함에 따라 subband의 개수와 간격이 증가하게 되어 Density of state가 감소하게 된다. 이로 인하여 Indium의 조성이 증가함에 따라 $In_xGa_{1-x}As$ 채널 MOSFET에서 상대적으로 Fermi level을 더 많이 상승시키게 되어 potential barrier를 얇아지게 만들며 또한 에너지에 따른 전류 밀도를 넓게 분포하도록 만든다. 이로 인하여 단채널에서는 In 조성이 증가함에 따라 direct source-to-drain tunnelling current이 증가하게 된다. 이로 인하여 In 조성의 증가에 따라 subthreshold swing과 ON-state current가 저하된다.

SIESTA를 이용하여 GaSe 단일층에서 금속 원자(Ga)를 전이금속 원자(W)로 치환하였을 때($W_{Ga}$)의 구조 deformation, 에너지 안정성, 전자구조와 자성을 확인하였다. 그 결과, 구조가 바뀌면서 평면에 수직한 방향으로 구조 변형이 나타났고, $W_{Ga}$에서 W의 NN는 Se이 되었다. Clean surface만큼 $W_{Ga}$도 안정된 구조임을 알 수 있었다. $W_{Ga}$에서 W에 의한 defect states가 up, down 6개씩 split되어 나타났으며, ${\Gamma}$ point에서 degenerated 경향을 보였다. 또한 W에 의한 magnetic moment는 $1{\mu}_B$인 것을 확인하였다. Defect states는 degenerated $d_{yz}$, $d_{zx}$ orbital character, degenerated $d_{xy}$, $dx^2-y^2$ orbital character, defect states는 $d_z{^2}$ orbital character을 띠는 것으로 나뉘었고, 이에 따라 에너지가 함께 높아졌다.

본 논문에서는 Edison simulation을 이용하여 2D TMD(Transition Metal Dichalcogenides)물질인 $MoS_2$의 monolayer 구조에서 화학/물리적 특성 분석을 통해 대칭 구조인 $2H-MoS_2$의 안정성과 1.8 eV의 direct bandgap을 추출하여 전자재료로서의 가치를 확인하였다. 또한 Edison TMD FET 소자 특성 simulation을 이용하여 $2H-MoS_2$ 결정 면의 이방성으로 인한 소자 성능의 변화를 확인 하였고, 최적의 결정 면에서 최적화된 소자를 설계하여 29.6% 개선된 $I_{on}/I_{off}$ 값과 32.6% 개선된 mobility 값을 추출하였다.

본 논문에서는 다양한 원소 조합을 통한 다양한 특성과 2D 구조의 형성이 가능한 물질로서 최근 많은 응용에 활용되고 있는 TMD물질에 대하여 strain 엔지니어링 방법을 탐색하고자 하였다. 에디슨 나노물리의 LCAO 기반 DFT 전자구조계산 SW를 이용해 4, 5, 6족의 TMD물질($MX_2$, M = Zr, Nb, Mo; X = S, Se, Te)의 monolayer, bulk 상태에 strain을 가했을 때 전자 구조의 변화를 계산하였다. Band gap 크기, 전자의 effective mass의 변화, direct-indirect gap transition 등을 전이금속의 종류에 따라 분류하여 분석할 수 있었다.

단층 $MoS_2$와 단층 실리콘을 채널 물질로 사용한 TMD FET과 UTB FET의 소자 특성 분석 시뮬레이션을 진행하였다. TMD FET과 UTB FET의 채널과 oxide 두께를 변화시켜가며 각 각의 게이트 전압과 드레인 전류의 특성과 subthreshold swing 등을 분석하였으며, 채널과 oxide 두께가 얇을수록 단채널 효과가 줄어든다는 것을 알 수 있었다. 얇은 채널을 사용하는 트랜지스터의 최적 구동 조건은 채널과 oxide 층의 두께가 1 nm 정도 되어야 한다는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 TMD FET과 UTB FET의 소자 특성을 상호 비교해 보았으며 TMD FET의 SS값이 더 좋다는 것을 확인할 수 있었다.

이 논문에서는 HEMT 소자에서 사용되는 3-5족 물질의 1차원 구조에 대하여 self-consistent Schrodinger Poisson solver를 수치해석적으로 구현하였다. 이를 바탕으로 갈륨과 인듐의 비율이 줄고 알루미늄의 조성비가 증가하는 상황에 대하여 시뮬레이션 해본 결과 알루미늄의 조성비가 더 큰 것이 그렇지 않은 것보다 이차원 전자가스 채널에 더 많은 전자를 모이게 하는 것을 관찰할 수 있었다.

A linear carbon chain with pure sp hybridization has been intensively studied for the application of its intrinsic electrical properties to electronic devices. Owing to the high chemical reactivity derived from its unsaturated bond, encapsulation by carbon nanotubes (CNT) is provided as a promising method to stabilize the geometry of the linear carbon chain. Although the influence of CNT on the carbon chain has extensively been studied in terms of both electronic structure and geometries, the electron transport properties has not been discussed yet. In this regard, we provide the systematic atomic-scale analyses of the properties of the linear carbon chain within CNT based on a computational approach combining density-functional theory (DFT) and matrix green function (MGF) method. Based on the DFT calculations, the influence of CNT on electronic structures of the linear carbon chain is provided as well as its electrical origin. Via MGF calculations, we also identify the electron transport properties of the carbon chain - CNT complex.

본 연구에서는 위상적 Dirac nodal line 준금속으로 알려진 fcc 구조의 Ca과 hcp 구조의 Be에 대하여 LCPAO (Linear Combination of Pseudo Atomic Orbital) 방법을 이용하는 코드인 OpenMX를 통해 제일원리 전자 구조 계산을 수행하였다. 그 결과로 두 물질에서 밴드의 교차가 일어남을 확인하였으며, 준금속적인 성질이 있음을 확인하였다. 끝으로 EDISON의 사이언스 앱을 이용한 물질의 위상적 특성에 대한 연구의 가능성을 살펴보았다.

2차원 InSe 단일층에 존재할 수 있는 vacancy defect인 In vacancy, Se vacancy의 원자구조 및 전자구조 특성을 제일원리계산을 이용해 살펴보았다. InSe $5{\times}5$ supercell을 이용하였으며 total energy를 구해 어떤 구조가 가장 안정한지 찾았다. Relax된 결함구조들을 clean InSe와 비교하여 어떤 변화가 있었는지 특징을 분석하였다. 이러한 intrinsic 결함들이 각각 어떤 구조로 relaxation되는지 살펴보고 clean InSe와 비교해보았다. 또한 각 결함구조의 density of states (DOS), projected density of states (PDOS)와 band structure를 clean InSe와 비교해봄으로써 defect state가 어떻게 나타나는지를 찾아보았다.

본 논문은 직류송전에서 송전선에 문제가 발생했을 때 생기는 고장전류를 제거하는 회로인 DC Breaker의 성능을 향상시킨 회로에 대한 것이다. 기존의 DC Breaker는 차단효율이 좋지 않고, 차단시간 또한 길다는 단점들이 문제가 되었는데, 이를 중앙 인덕터를 통해, 고장전류의 크기를 감소시키고, 커패시터 스위칭을 통해 차단시간을 줄이는 등의 방법을 이용하여, 효율을 개선하였다. 그리고 이 개선된 DC Breaker가 DC 고전압 전력수송에 꼭 필요하다는 것을 실험을 통해 그 실용성을 검증하였다.

Drift-Diffusion 방법은 반도체 소자의 내에서의 전하 수송 방정식을 푸는 수치해석적인 방법 중에서 비교적 계산량이 적고, 이런 장점으로 인해 널리 쓰이는 방법이다. 이 방법을 이용하여 간단한 PN diode 구조에서의 전기장, 전압 분포, IV curve 등을 확인 하는 코드를 작성하고, 작성한 코드의 신뢰성 검증을 위하여 TCAD tool인 SDEVICE와 EDISON tool을 이용하여 비교해 본다.

양자막대를 이용한 디스플레이 활용에서, Blue를 발광하는 CdZnS의 합성에서 ZnS의 road에 shell을 형성하기 위해서는 Oleamine (OAm) 리간들를 사용한다. 반면, Oleic Acid (OA) 리간드를 사용하면 shell의 합성이 잘 안되는데, 본 논문은 이러한 이유를 제 1원리 계산을 바탕으로 설명해 놓았다.

포스포린에 대한 관심이 높아지면서 그 기계적 성질을 아는 것이 중요해졌다. 포스포린의 표면에 알칼리 금속 원자를 흡착시켰을 때, 그렇지 않았을 때보다 강성이 감소하는 것이 계산되었다. 또한 흡착된 원자의 절대적인 크기가 클수록 강성을 더욱 감소시킬 수 있음을 암시하는 결과가 발견되었다.

Source와 Drain 부분에 도핑의 농도를 변화시킴으로써 MOSFET의 내부의 Total current의 변화의 경향성을 분석하였다. 이를 위해 Simple한 MOSFET 구조를 설계를 한 뒤 gate 부분에 전압을 주어 측정을 하였으며, 그 결과 Source, Drain의 도핑농도가 증가 될 수록 Total current의 변화하는 정도가 커짐을 알 수 있다.

이전까지 시도된 적이 없는 교차하게 쌓인 black phosphorus (BP) 구조에 대하여 전기적 특성을 분석하였다. 일반적인 BP에서와 같이 A-B stacking을 기반으로 한 구조가 A-A stacking을 기반으로 한 구조보다 약간 안정한 것이 확인되었으며 두 구조 모두에서 방향에 따른 anisotropy가 없어진 것을 확인하였다. Transmission은 기본적인 bilayer BP의 armchair direction에 비하여 낮게 나왔다. 결론적으로 anisotropy가 존재하지 않는 안정된 bilayer BP 구조를 찾는 것에 성공하였다.

$MoS_2$ 단분자층에 SiC 단분자층을 결합하여 헤테로 구조를 만들고 여기에 양축 스트레인을 가하여 분석하였다. 그 결과 1% 이상의 인장 스트레인이 가해질 경우 직접 밴드갭이 유도 되었으며 압축 스트레인에 비하여 인장 스트레인이 가해졌을 때 벤드갭의 변화가 컸다. 따라서 다음 헤테로 구조에 가해지는 인장 스트레인에 따라 변화되는 전자기적 특성은 광학 소자등의 다양한 분야에 활용할 수 있을 것이다.

Photoisomerizing molecules which can transform their structure by the light irradiation have great deal for the application of photo-switching devices. And azobenzene is the representive type of the photoisomerizing molecules. It can transform their trans- structures into cis- structure as the light for certain wave lengths they receive. This property shows the potential of ON/OFF switching functionalization which can be used into the nano scale photo switch. Furthermore, many studies are interested in the organic linkers that connect the azobenzene and metal electrodes. We used S, $CH_2S$, $(CH_2)_4S$ as the linker to watch the influence of linkers for electronic properties. So We suggest a photoswitching device based on the vertical junction using the first-principles calculations with density functional theory and non-equilibrium Greens function (NEGF). By analyzing the electronic structure and tunneling current caused by the structural difference of the system between cis- and trans- azobenzene, the difference in switching mechanism, ON/OFF ratio and transmission will be watched as the linker changes. And finally We will suggest which linker would be the better for the optimal device architecture which can achieve high control of the ON/OFF photocurrent ratio. This result will show the potential of azobenzene-based photoswitch and provide the critical insight in constructing the optimal device architecture.

Based on the Jansen mechanism theory, a walking robot is developed, which is able to trace a line. In order to find the optimized legs, GL(Ground Length), GAC(Ground Angle Coefficient) and Grashof criteria are utilized in m.sketch program as well as EdisonDesign program. Many types of design are applied to sensors and controls, and the functionality is checked. Finally, a prototype line tracer robot is manufactured using aduino parts and smart boards. The prototype robot is test run to check the validity of the design, and modifications are applied to improve the performance according to each test result until the best design is achieved.

Various walking robot platforms have been developed to carry out missions such as explorations, pass of obstacle or inspections of dangerous environments. In this work, a four legs mechanism based on Jansen mechanism is developed, which can trace a certain line. In order to maximize the tracing speed, mechanism design is performed in multiple phases using m.sketch, EdisonDesign and Arduino programs. In design process, control of power path and optimization of the locus of legs(GL/GAC) are found to be most important. A prototype model is constructed and test run to check the validity of the design optimization.

본 논문은 테오얀센 메커니즘을 적용한 보행 로봇 형상 및 라인 트레이싱을 위한 센서의 최적 설계를 수행한다. 소프트웨어를 활용하여 보행 로봇의 운동학적 해석(보행 곡선 추적, Ground Length, Ground Angle Coefficient), 최적화 및 상세 설계, 센서 추적 관련 시뮬레이션을 수행하고 분석하여 속도가 빠르며 안정적으로 주행하는 테오얀센 메커니즘 모델을 제안한다.

The Theo Jansen mechanism using 1 degree of freedom is special system of walking robot. The trajectory made by the point of ground position is similar to other walking robot using many degrees of freedom. Because of diversity of design parameter of the Jansen mechanism, it makes a lot of trajectory and takes possibilities of optimization. However this research doesn't focus on the optimization of trajectory, but it focused on comprehensive design of the robot using well-known trajectory and line tracer logic to go fast and accurate along the line. The logic to follow a line has many kinds of possibility of algorithm. To eliminate uncertainty about recognizing a line, I divide the case of line following situation and make optimized logic.

There are three types of robots that move on the ground classified as drivetrain. Wheels, tracks and Legs. Wheels and tracks are much easier to construct and control, but they have problems passing through obstacles like people. This paper discusses the design of line tracing using Theo Jansen, one of multi-legged walking mechanism. In order to increase the moving speed, the Jansen mechanism is designed by maximizing the objective variable as GL (Ground Length), GAC (Ground Angle Coefficient). In this project, only three sensors were attached and Arduino was used for optimal control of the motor using the sensor values.

Bipedal robots tend to have greater mobility than conventional treaded or wheeled robots yet they are commonly complicated by instabilities in balance. This paper presents a bipedal robot based upon Jansen's locomotive mechanism which addresses these challenges in stability and efficiency. In order to achieve a functioning robot, we considered a multitude of variables in its motion including, the Ground Score, Drag Score, step size, foot lift, stride, and instantaneous speed of the Jansen mechanism. Matlab and Jansen Opt solver were used to optimize the legs of the robot. A trial and error experimental method was used to determine the best combination of link lengths, and m.Sketch was used to model our results. Finally, we drew the entirety of the robot's figure by using the Edison design.

본 논문에서는 얀센 메커니즘을 활용한 보행 로봇의 궤적을 최적화 하기 위한 알고리즘을 연구하였다. 궤적의 최적화 목표는 지면에 닿는 시간이 길고 지면에 평행하며 빠른 이동을 위해 넓은 보폭을 생성 하는 것으로 두었다. 초기 값은 Edison design의 m.sketch를 사용하여 결정하였고 최적화 과정에서는 MATLAB을 사용하였으며 가능한 빠른 계산이 가능한 것에 초점을 두고 알고리즘을 작성하였다. 최적화된 결과 값에서는 지면에 닿는 궤적의 범위와 보폭의 크기, 궤적의 높이가 가장 큰 값을 결정하였다.

본 논문은 얀센 메커니즘을 이용한 라인트레이서를 빠르고 정확하게 주행하게 하기 위한 연구를 토대로 작성되었다. 설계변수는 다리 링크길이에 따른 GL(Ground Length)의 크기, 로봇의 크기, 센서의 위치와 개수 그에 따른 Arduino cording으로 결정하였다. 연구는 이 설계변수들과 결과값의 상관관계를 예측하고 실험을 통해 검증하는 방식으로 진행되었다.

본 논문에서는 jansen's linkage와 기구설계를 기반으로 Theo Jansen의 strandbeast을 DC모터를 통해 구동하는 8족 보행로봇으로 설계 및 제작하고, 그에 대한 해석을 제시한다. 제작된 로봇은 크게 구동부, 제어부, 센서부로 나눌 수 있으며, 구동부는 모터와 다리로, 제어부는 Arduino 보드로 그리고 센서부는 광센서로 구성되어 있다. 구동부의 다리부분은 에디슨의 M-sketch를 통해 설계하였고, 제어부는 센서의 신호를 트랙에 맞추어 적합하게 받아드릴 수 있도록 코딩을 작성하였다. 제작된 로봇은 일반적인 로봇이 아니라 트랙에 맞추어 특화된 로봇으로 그 목적이 제한되어 있음을 밝히는 바이다.

Develop a leg walking robot with 'Janssen mechanism'. Using 'ScienceBox' base and add more items to improve moving speed and balance of the robot. To make the robot better, made optimized drawing and produced it using plastic with 3D printer and acyrl with Laser cutting machine.

본 연구는 4절 링크 이론(four-bar likage mechanism)과 얀센 메커니즘(Jansen mechanism)을 기반으로 다관절 보행로봇을 제작하고, 로봇의 움직임에 대하여 기구학적인 해석을 제시한다. 또한 라인 트레이싱(Line tracing) 방법을 활용한 자동주행 설계를 위해 아두이노 호환 보드와 적외선 센서 4개를 보행로봇에 부착하여 자동 주행 로봇을 제작하였다.

본 논문에서는 얀센 메커니즘을 이용한 4족 보행 로봇의 설계와 라인 추적을 통해 목표지점까지 도달할 수 있도록 하는 센싱에 대해 보인다. 가장 핵심이라고 판단되는 구동부의 최적 설계를 위해 m.Sketch를 이용하여 GAC와 GL를 설정하였고, 최적 설계 후 다리 경량화를 통한 로봇 속도 개선 등의 문제는 차후에 다루기로 한다. 본 논문에서 언급되는 모든 구동부는 이론적 계산을 기초로 하여 CATIA 프로그램을 사용하여 제작되었으며, 과학상자를 이용한 여러 번의 구조변경 실험을 통해 최적의 설계를 찾는 것을 목표로 한다.

얀센 메커니즘을 구현할 때 다리의 좌우 흔들림 문제를 다리의 접합부의 구조 안정화 설계를 통해 해결하였다. 이를 위해 다리 회전 부분의 최적 접합 공차를 찾아 동력전달 과정에서 생기는 손실을 최소화 하였다.

한국연구재단의 지원을 받는 EDISON CHANLLENGE를 수행하기 위해 작성되었다. 본 논문은 얀센 메커니즘과 아두이노, 적외선 센서를 이용하여 라인 트래이싱을 하기 위해, 최적의 얀센 메커니즘을 설계한다. MATLAB을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. Ground Score, Average Velocity, Drag Score, 그리고 Standard Deviation of Velocity를 이용하여 최적의 얀센 메커니즘을 설계하였다.

이 논문에서는 1자유도 시스템이며, DC모터로 간단히 구동 가능한 로봇으로, Jansen Mechanism을 사용한 4족보행 로봇을 설계 및 제작하고, 센서를 사용한 탐사 수행의 예시로 라인 트레이싱을 구현, 성능 테스트를 통해 차기 연구용 및 단가가 낮은 대량 생산형 로봇으로서의 가능성을 검증한다.

본 연구는 4족 보행 로봇을 설계하기 위해 linkage of jansen mechanism을 선택하였고 설정한 보행 목적에 맞는 최적 링크의 길이를 구하기 위해 Edison SW를 사용하여 해석을 하고 수치적 해석을 동원하여 목표에 대한 신뢰를 높인다.

얀센메커니즘을 활용한 보행로봇의 단점인 저속을 개선 하기위한 연구이다. 그 예시로 라인트레이싱 속도를 높이기 위한 다리의 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 EDISON에서 제공하는 프로그램을 사용하여 Ground angle coefficient와 Ground length를 더한 목적함수를 최대값으로 설계하였고 보행능력이 증가하였다.

EDISON 전산설계 프로그램들을 이용하여 Jansen Mechanism을 이용한 보행로봇의 보행시 다리구조를 최적화가 되도록 설계하고 아두이노와 적외선 센서와 DC모터를 이용하여 라인을 감지해 움직이는 자율주행 로봇을 제작한다.

Theo Jansen Mechanism을 바탕으로 다리부분의 상하진동폭을 줄여 전체 기구의 안정성을 갖추면서 전진거리를 늘리는 것을 목표로 시행착오를 거치면서 핵심 부위인 다리를 설계하였다.

Cardiovascular disease is the leading cause of death in America [1]. This kind of situation leads researcher to find out how to analyze the disease without using a living human heart. Computer simulation is the solution. Based on the existed clinical data and mathematical formulas from the journals, we can simulate a human heart activity using a computer. Moreover, we can also use the existed biological data in our simulation program, such as CellML (Cell Markup Language) [2].

관상동맥의 협착 병변의 위험성을 치료 및 예방하기 위하여 FFR(Fractional flow reserve)이라는 지표를 사용한다. 기존의 임상에서 FFR을 측정하기 위하여 침습적인 방법을 이용하여 진행하였다. 이러한 침습적 방법은 부작용의 위험성을 가지고 있기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 계산하면 위험성을 해소할 수 있다. 하지만 현재 컴퓨터 시뮬레이션은 CT image를 이용하기 때문에 칼슘을 정확히 구별하거나 지질의 위치 등을 확인하는 것이 어렵기 때문에 FFR 결과에 오류를 발생시킬 수도 있고, 또한 전체 관상동맥을 해석하기 때문에 많은 계산량이 필요하다. 본 연구에서는 최근 높은 해상도를 가진 OCT(Optical Coherence Tomography)를 이용하여 이러한 한계점을 극복하고자 하고, 임상에서 측정한 FFR과 OCT에서 측정된 FFR은 비교하는 것이 목적이다.

뇌혈관은 평상시 뇌조직의 필요량보다 더 많은 혈류를 수송할 능력을 가지고 있는데 이를 뇌혈관 혈류예비력이라 한다. 뇌혈관이 특정한 요인에 의해 협착이 생기면 뇌관류압이 감소하는데 이를 보상하기 위해 뇌세동맥의 내경을 확장시켜 뇌혈류를 유지하도록 하는 것이다. 따라서 예비력이 낮은 사람일 경우 협착으로 인해 혈관 내경이 좁아져 있다면 운동이나 스트레스 상황에서 뇌졸증 내지 뇌허혈의 위험이 증가된다. 따라서 본 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 뇌혈관 협착으로 인한 예비능 감소를 예측하였다. 이를 위해 환자의 MRA 영상 이미지를 영역화하여 3차원 격자를 생성하였으며 생성된 환자 맞춤 모델을 대상으로 전산유체해석을 진행하였다. 그리고 가상 협착을 모델에 적용하여 뇌혈관 협착률과 예비능의 관계를 분석했다.

Cobelli와 그의 동료들이 제안한 포도당 농도에 따른 췌장의 인슐린 분비 모델(Cobelli model)은 비교적 단순한 모델이지만 Grodsky의 실험 뿐만 아니라 일련의 관련 실험을 재현하였다. 하지만 이 모델은 췌장 베타세포 내 인슐린 분포를 미분형식으로 표현하였고, 적분을 통해 인슐린 양을 계산하였다. 그로 인해 각 시간 스텝에서 포도당의 양에 따라 적분 구간만큼 반복적인 계산을 수행해야만 했다. 이에 본 연구에서는 Cobelli model을 재현하면서 좀 더 효과적으로 결과를 얻을 수 있는 새로운 Multi-RRP model을 제시하였다. Multi-RRP model은 RRP를 과립의 자극 여부에 따라 RRPhigh와 RRPlow로 나누어 각각의 인슐린 분비를 계산하는 방법으로, 포도당의 변화에 따라 RRP의 수를 증가시켜 인슐린의 분비량을 산출한다. 이 Multi-RRP model의 시뮬레이션 결과는 Cobelli model과 동일한 경향을 보이며, Grodsky의 계단 실험과의 비교에서는 Cobelli model보다 실험 결과에 더 접근한다. 또한, 시뮬레이션 시간 비교를 통해 효율성을 확인하였고, Multi-RRP model이 Cobelli model보다 16배 이상 효율이 더 높은 것으로 확인되었다.

심장 이온통로의 변화는 활동전압의 모양과 길이에 영향을 주어 심부정맥을 유발한다. 산화적 스트레스의 증가로 인해 생체에 침착이 증가하는 지질산화물 (4-HNE, 4-ONE)는 여러 단백질 및 이온통로에 영향을 주는 독성이차전달자로 알려져 있다. 본 연구자는 선행 연구를 통해 4-HNE와 4-ONE의 단기간 노출이 심실근세포에 발현되는 3종류의 이온통로 ($I_{Kr}$, $I_{Ks}$, $I_{Ca,L}$)의 전류감소와 kinetics변화를 일으키고, 심실근세포의 활동전압길이가 증가하는 것을 확인하였다. 두 물질이 이온통로들에 준 영향은 유사하였으나, 활동전압길이의 증가 정도가 4-ONE에서 더 크게 나타났다. 활동전압의 연장에 차이가 나는 원인과, 두 지질산화물이 또 다른 이온통로에 미치는 영향 유무를 예측하기 위해서 Grandi and Bers human ventricular model[1]을 적용한 Integrated human ventricular myocyte model 프로그램 (developed by prof. Youm)을 활용하였다. 시뮬레이션으로 재현한 4-HNE와 4-ONE에 의한 활동전압은 실험으로 기록된 것보다 연장 정도가 작았다. 시뮬레이션 모델의 background $Na^+$ 전류의 크기를 크게 하였을 경우, 실험에서 기록된 활동전압 길이에 상응하는 연장을 가져왔다. 그러므로, 4-HNE와 4-ONE는 실험으로 확인한 $I_{Kr}$, $I_{Ks}$, $I_{Ca,L}$ 이외에 심장세포에 존재하는 내향전류 (Late $Na^+$ current)의 크기를 증가하는 효과가 있음을 예측할 수 있으며, 실험적 검증이 요구된다.

the aim of this study was to observe the combined effect of the CRT and LVAD on electromechanical cardiac behavior under LBBB and RBBB conditions computationally. We performed simulation by using advanced electromechanics model of failing ventricle combined with lumped model represents circulatory system, CRT and LVAD. We analyzed seven failing ventricle model including normal sinus rhythm, LBBB, LBBB coupled with CRT, LBBB coupled with CRT and LVAD, RBBB, RBBB coupled with CRT, and RBBB coupled with CRT and LVAD. We compared the effect from CRT and the effect from combined CRT and LVAD to both under LBBB and RBBB conditions. The results showed that the combined CRT and LVAD contributed a better hemodynamic compared to single CRT. This combined system synchronized the electrical activation greatly under LBBB and slightly under RBBB. It also shortened mechanical activation time which resulted short electromechanical delay. More importantly, the combined system produced better mechanical responses under both LBBB and RBBB conditions.

심근섬유증은 심장에서 전도 장애를 일으키며 심부전증상을 발생시킨다. 심근섬유증으로 인한 심장박동현상의 변화를 확인하기 위해 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 심실의 유한요소 모델을 설계하고 무작위로 전도 블록을 생성하여 심근섬유증을 적용하고 그 비율을 조절하였다. 심근섬유증의 비율에 따라 전기생리학적 시뮬레이션을 진행하고 그 결과를 바탕으로 기계 수축 시뮬레이션을 진행하여 심실의 수축 변화를 확인하였다. 심근섬유증의 비율이 증가할수록 좌심실의 압력이 감소하고 박출되는 혈액량과 박출계수, 심장박동의 효율이 감소하였다.

이 연구의 목적은 심근경색의 발생 위치와 그 부피에 따른 심실의 여러 가지 생리학적인 특성들을 분석하는 데에 있다. 우리는 심근경색의 발생 사례를 총 8가지로 분류하여 각 병변의 발생 위치와 부피를 달리 하였으며 대조군으로 정상 상태의 심장을 두어 기준 값으로부터 각 사례 별로 전체 심장 대비 심근경색 부위가 차지하는 비율, 압력-부피 선도, 1회 박출량(SV), 분당 심박출량(CO), ATP 소모율, 박출 효율(EF), 1주기의 1ATP 당 소모한 일의 양(SW/ATP) 등을 조사하였다. 또한 본 연구는 심근경색의 발생 위치와 부피에 따른 이의 심각성을 나타내고자 했기 때문에, 각 사례 별로 압력-부피 선도, 들의 변화율 및 세포가 괴사한 정도에 따른 수치 변화율을 퍼센트(%)로 표시하여 그 정도를 조사하였다. 심근경색을 가진 심장은 그렇지 않은 심장에 비해서, ATP 소모량이나 EF의 경우 각 사례 마다 상이한 결과를 가지기는 하지만, 대체적으로 더 적은 1주기 일량(SW) 및 1회 박출량(SV) 분포를 보였으며 SW/ATP의 값은 거의 일괄적으로 감소하였음을 확인하였는데, 이는 심실의 효율이 정상 심장에 비해서 떨어졌음을 의미한다. 결과적으로, 본 연구는 심근경색의 생리학적 특징들을 재확인함과 동시에 임상적으로 확인할 수 없는 특징들의 수학적인 분석과 더불어 심근경색의 공간 특징적인 현상들을 밝히고 있다.

심실 내부에 가해지는 수축력에 의해 심실 내부 벽에는 큰 무리가 될 수 있다. 이로 인해 다양한 심장질환인 부정맥, 심실 세동 등을 유발한다. 따라서 본 연구에서는 가상 심장모델을 구축하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 수축이완시의 심장 상태를 살펴보고자 하였다. 이를 위해서 개 심장 모델을 활용하여 3차원으로 이뤄진 심장모델을 구현하였다. 심장모델의 전기생리학 기전에 기초한 전기전도 해석을 수행하고, 전기전도 해석 시 발생되는 칼슘이온의 농도변화를 활용하였다. 시간에 따른 칼슘 이온의 심장 수축 영향을 바탕으로 비선형 유한요소법을 이용, 3차원 심장의 수축역학을 해석하였다. 이러한 기전으로 심장 근육에 부하되는 응력(tension)를 계산하고, 이렇게 계산된 심근의 응력분포에 대해 관측 및 분석을 진행하였다.

Iks 칼륨 전류에 관여하는 KCNQ1유전자의 S140G 돌연변이는 심방세동에 영향을 미치는 대표적인 돌연변이 유전자로, 심방세동과 S140G 돌연변이의 상관관계를 밝히기 위한 연구들이 많이 진행되어 왔다. 하지만 S140G 돌연변이 유전자가 심방 세동 환자의 심실 반응에 영향을 미칠 수 있다는 선행연구를 비롯하여 심방과 심실의 활동전위에 영향을 미칠 수 있는 가능성이 있음에도 불구하고, KCNQ1 S140G 돌연변이 유전자의 심실세동에 대한 영향과 그 메커니즘에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구는 KCNQ1 S140G 돌연변이 유전자가 심실세동에 미치는 영향에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 통해 그 상관관계를 밝히고자 하였다. 이를 위해 1차원 세포 모델을 비롯하여 2차원 심실세동 반응과 3차원 전기 생리학 및 기계적 수축 시뮬레이션을 진행하였다. 3차원의 전기생리학 및 기계적 수축 시뮬레이션에서는 심실의 박출 활동을 확인하기 위한 정상 박동 시뮬레이션과 심실 세동 발생시의 심실의 변화를 확인하기 위한 세동 시뮬레이션을 각각 진행하였다. 그 결과 KCNQ1 S140G 돌연변이로 인해 심실의 Iks가 증가되었으며, 그로 인해 심실의 활동 전위기간(APD)과 불응기(ERP)가 단축되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 활동전위 지속 곡선(APDr)과 불응기 지속 곡선(ERPr)이 완만하게 나타났으며, 심근세포의 전도파장이 감소하였다. 3차원 정상 박동 시뮬레이션의 결과 표준형에서 보다 KCNQ1 S140G 돌연변이형에서 심실이 소모하는 ATP의 양과 박출계수가 감소하였다. 3차원 세동 시뮬레이션 결과 표준형에서는 심실세동이 종결되었으나, S140G 돌연변이 형에서는 심실세동이 종결되지않고 유지되었으며, 심실세동이 빠르게 발생하였다. 결론적으로, KCNQ1 S140G 돌연변이로 인해 증가된 심실의 Iks는 심실의 박출 효율을 감소시키고 심실세동을 발생시키고 유지시키며, 부정맥 발생의 위험성을 높일 수 있다.

데이터 처리 및 도표화는 임상 연구 보고서에 부록을 작성할 때 시간 소모적인 작업이다. 저자는 SAS (버전 9.3) 및 R (버전 3.3.1: PK 플롯 생성 용)을 사용하여 CDISC/SDTM 표준에 부합하는 자동 부록 생성 시스템 (ARGUS)을 개발했다. 이 시스템은 하나의 주 프로그램과 세 개의 서브 프로그램으로 구성되어 있다. 일반적인 데스크탑 환경에서 제출 버튼을 누른 후 약 1 분 만에 데이터베이스 파일을 MS Word 형식의 부록 문서로 변환한다. ARGUS 시스템을 사용하여 약 8일간 팀을 구성한 부록을 작성하던 작업이 6~7 시간 내에 완료되었다.

Caffeine has a long history of human consumption but the consumption of caffeine due to caffeinated energy drinks(CEDs) is rapidly growing. Marketing targets of CED sales are children, adolescents and young adults, possibly caffeine-sensitive groups and its effect for them can be significantly different from healthy adults. Caffeine-related toxicities among these groups are growing in number and a number of countries are recognizing severity of caffeine toxicities. Previous research showed prediction of maximal plasma caffeine concentration profiles after the single CED ingestion and the primary aim of this study is to visually predict plasma caffeine concentration after the single and multiple ingestion of standard servings of CED. Based on the population pharmacokinetic model using Monte Carlo simulation, prediction of caffeine concentration leading to caffeine intoxication in the sensitive groups is quantitatively presented and visualized. This research also broadens the perspective by creating and utilizing diverse open science tools including R package, Edison Science App and Shiny apps.

약동학 지표를 구할 시 활용되는 비구획 분석을 Edison system에 적용하여 테오필린(Theophylline)과 인도메타신(Indomethacin) 데이터에 대한 분석을 실시하였다. 각각의 데이터에 대해 Edison 엡 내에서 농도-시간 곡선에 대한 그래프를 다양한 방식으로 구현할 수 있었으며, 계획한 R script를 통해 도출된 결과에서도 현재 임상적으로 가장 널리 쓰이는 비구획 분석방법 소프트웨어와 동일한 값임을 확인하였다. 또한 실제 비구획 분석보다 한 단계 더 복잡한 분석에 대해서도 실제 구현 가능함을 확인하였다. 이를 통해 앞으로 다양한 약동학적 분석방법을 Edison system 안에서 구현하고 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구의 목적은 단클론항체 (mAb) 약동학적 특성을 보다 쉽게 이해하고자 문헌에 보고된 mAb의 PK 모델을 구현할 수 있도록 시뮬레이션 모델을 만드는 것이다. 본 연구결과를 바탕으로 약물의 용법/용량, 각각의 모델 파라미터의 변화에 따른 혈중농도, 수용체 점여 등의 변화를 다양하게 시뮬레이션 해볼 수 있다.

배아줄기세포 유래 심근세포는 심근경색 등으로 심장이 제 기능을 다 하지 못할 때 치료적 목적으로 주사하여 환자의 심기능을 정상화 시키는 데에 쓰인다. 배아줄기세포 유래 심근세포는 페이스메이커 활동을 보이면서 막전압 고정상태에서도 주기적인 일과성 내향전류를 보이는 특징을 갖고 있다. 본 연구는 기존에 발표된 배아줄기세포 유래 심근세포의 시뮬레이션 모델을 이용하여 어떻게 하여 페이스메이커 활동이 나타나는지 그 기전을 밝히고자 하였다. 세포내 모든 이온을 고정하였을 때 모델 세포는 여전히 페이스메이커 활동을 보였다. 근장그물내 칼슘 이온을 고정하였을 때도 모델 세포는 페이스메이커 활동을 보였다. 그러나 Na-Ca 교환 전류를 차단하였을 때는 모델 세포의 페이스메이커 활동이 사라졌는데, 여기서 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 칼슘 의존성 비활성화 기전을 제거하자 페이스메이커 활동이 지속되었다. 또한 Na-Ca 교환전류와 L-type $Ca^{2+}$ 전류만으로는 페이스메이커 활동이 보이지 않았으나 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 크기를 3배로 증가시키자 페이스메이커 활동이 다시 나타남을 확인하였다. 따라서, 배아줄기세포 유래 심근세포의 페이스메이커 활동은 Na-Ca 교환전류와 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 역할이 매우 중요하며, Na-Ca 교환전류는 L-type $Ca^{2+}$ 전류가 비활성화되지 않도록 칼슘 이온의 농도를 조절하는 데에 큰 역할을 하는 것으로 결론을 내렸다.

배아줄기세포 유래 심근세포는 심근경색 등으로 심장이 제 기능을 다 하지 못할 때 치료적 목적으로 주사하여 환자의 심기능을 정상화 시키는 데에 쓰인다. 배아줄기세포 유래 심근세포는 페이스메이커 활동을 보이면서 막전압 고정상태에서도 주기적인 일과성 내향전류를 보이는 특징을 갖고 있다. 본 연구는 기존에 발표된 배아줄기세포 유래 심근세포의 시뮬레이션 모델을 이용하여 어떻게 하여 페이스메이커 활동이 나타나는지 그 기전을 밝히고자 하였다. 세포내 모든 이온을 고정하였을 때 모델 세포는 여전히 페이스메이커 활동을 보였다. 근장그물내 칼슘 이온을 고정하였을 때도 모델 세포는 페이스메이커 활동을 보였다. 그러나 Na-Ca 교환 전류를 차단하였을 때는 모델 세포의 페이스메이커 활동이 사라졌는데, 여기서 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 칼슘 의존성 비활성화 기전을 제거하자 페이스메이커 활동이 지속되었다. 또한 Na-Ca 교환전류와 L-type $Ca^{2+}$ 전류만으로는 페이스메이커 활동이 보이지 않았으나 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 크기를 3배로 증가시키자 페이스메이커 활동이 다시 나타남을 확인하였다. 따라서, 배아줄기세포 유래 심근세포의 페이스메이커 활동은 Na-Ca 교환전류와 L-type $Ca^{2+}$ 전류의 역할이 매우 중요하며, Na-Ca 교환전류는 L-type $Ca^{2+}$ 전류가 비활성화되지 않도록 칼슘 이온의 농도를 조절하는 데에 큰 역할을 하는 것으로 결론을 내렸다.

전기적 신호의 이상으로 발생하는 심방 부정맥은 심방세동으로 발전하는 대표적 심장 질환이다. 이러한 원인에는 세포 내 이온 채널의 유전적 결함으로 인한 기전이 알려져 있다. 지속적인 연구로 밝혀진 대표적인 유전적 질환 중 하나로서 KCNH2 유전자 돌연변이가 있다. 본 연구에서는 KCNH2 유전자 돌연변이가 심방부정맥을 유발하는 연관성연구를 기반으로 심실에서의 심장 질환 발현 연관성을 확인하고 심실부정맥과 심실세동 가능성을 예측하였다. 이를 위해 Ten tusscher 세포 모델에 KCNH2 유전자의 N588K, L532P 변이를 적용하여 2차원과 3차원 시뮬레이션을 진행하였다. wild-type(WT)과 mutant-type(MT)의 전기전도 패턴을 비교했다. 그 결과 WT의 전도파형이 일찍 자가소멸(self-termination) 되는 것과 대조적으로 MT는 회귀성 파형이 유지되었다(WT : 3.6초간 유지, MT : 지속적). 따라서 본 연구를 통해 KCNH2 유전자 돌연변이가 심실 조직의 취약성 (Action Potential Duration 감소, WT : 270 ms, N588K : 130 ms, L532P : 100 ms)을 증가시켜 부정맥의 요인이 됨을 확인하였다.

미병의 예방과 관리의 중요성이 거론되고 있으나, 미병에 대한 분류나 진단을 위한 확고한 근거가 미약한 상황으로서 미병 진단 인자 분류를 위한 생리시스템 모델 개발이 필요한 시점이다. 본 연구의 목적은 개발한 생리학적 모델이 미병 단계를 구별하는데 효과 및 유용성이 있는지를 임상 검증하기 위하여 생리학적 모델 인공지능 시뮬레이션을 개발하고자 함이다. 인공지능 계산은 3층으로 구성된 네트워크를 이용하였으며 각 층은 30개의 neuron들로 구성하였다. 인공지능망의 입력 값은 나이, 수축기 혈압, 이완기 혈압, 심박수 값 (입력 값 4개)이고 출력 값은 혈관 저항값인 Ra이다. 머신러닝 차수를 높이면서 인공지능을 사용하지 않은 생리적 모델로부터 도출된 결과와 인공지능을 통하여 계산된 결과를 비교하였다. 개발된 인공지능계산을 이용한 생리시스템 모델은 대량의 표본집단에서 임상 검증에 기여할 것이다.

많은 항바이러스제의 개발에도 불구하고, B형간염바이러스 감염으로 인해 간 이식을 받은 환자를 대상으로 한 재발 억제 치료 시 항 B형간염바이러스 면역글로불린(Anti-hepatitis B immunoglobulin, HBIG) 치료는 아직도 가장 중요한 약물요법으로 여겨지고 있다. 본 연구진은 간 이식 환자에서의 6개월 간의 약동학 연구를 통해, HBIG의 약동학적 파라미터와 이에 대한 영향인자를 확인하였으며, 이를 이용해 용법용량 별로 유지요법 시기에 목표 농도 도달 가능성을 예측하는 시뮬레이션 tool을 개발하였다. 그 결과 95% 환자가 목표 농도 이상의 HBIG 농도를 유지하기 위한 용량은 '목표 농도 ${\times}$ 20'에 해당하는 것을 확인하였으며, 다수의 대학병원에서 통상적인 HBIG 유지 요법의 목표 농도를 최소 300 IU/L로 하고 있음을 고려할 때, 6,000 IU의 용량을 월 1회 투여하는 것이 바람직할 것으로 판단하였다.

막전압 고정 기법은 세포막 이온통로의 활성화 게이트, 비활성화 게이트의 물리적 성질 등을 밝힐 수 있다. 즉, 여러 다양한 펄스 프로토콜을 이용하여 활성화 게이트와 비활성화 게이트의 막전압 의존성을 구할 수 있다. 본 연구는 L-type $Ca^{2+}$ 통로의 모델을 막전압 고정 기법 시뮬레이션에 적용하여 최적의 펄스 프로토콜을 얻기 위한 방법을 제시하고자 하였다. 비활성화 게이트의 막전압 의존성을 구하는 경우, 테스트 전압에서 +10 mV의 전압으로 가기 전에 0 ms, 5 ms, 20 ms의 gap을 주었는데 이 중 5 ms의 gap을 주었을 때 모델과 가장 가까운 관계를 얻을 수 있었다. 다음으로 활성화 게이트의 막전압 의존성을 구하는 경우, 일반적인 방법으로는 실제 관계와 크게 다른 결과를 얻었으나, 0 mV 이하의 막전압에 대해서만 막전압 의존성을 구하는 방법을 사용하여 실제 관계와 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서, 본 시뮬레이션 프로그램을 적절히 이용한다면 실제 세포실험에서 정확한 수치를 얻기 위한 펄스 프로토콜을 얻는데 활용할 수 있을 것으로 본다.