본 논문에서는 광생물 반응기의 조명 시스템에 적용할 수 있는 LED(Light-Emitting Diode)와 태양광 하이브리드 광원을 이용한 도광판의 설계 및 제작 결과에 대해 보고한다. LED용 도광판 패턴을 설계하고 기존에 보고된 태양광용 도광판에 함께 중첩하여 가공하였다. 하이브리드 도광판의 출력 PFD(Photon Flux Density)를 일정하게 유지시켜주기 위한 제어 시스템을 제작하였으며, 출력 PFD 목표값을 $70{\mu}E/(m^2{\cdot}s)$로 설정하였을 경우 오차범위 ${\pm}2%$ 이내에서 제어가 이루어짐을 확인하였다.
최근 광촉매 재료로 각광받고 있는 TiO$_2$는 band gap 에너지가 3.0-3.2eV로 자외선 영역과 일부 가시광선 영역에서 활성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 용액 중에 결정화 및 안정화 되어있는 TiO$_2$의 band gap 에너지를 낮춘다면 가시광 영역의 광반응을 얻을 수 있다. 이에 본 연구는 G. Sato등이 제안한 방법으로 TiO$_2$ sol을 제조할 때 band gap 에너지를 낮추고자 천이 금속원소를 첨가하여 복합 및 담지된 TiO$_2$계 복합 sol을 합성하고자 하였다 출발원료는 TiC1$_4$를 가수분해하여 제조한 TiOCl$_2$에 천이금속원소인 V, Cr, Fe, Ni, Nb 등의 chloride 화합물을 첨가하여 중화 및 세척과정을 거친 후, 과산화수소수에 용해하여 전구체 용액인 titania peroxo용액을 제조하였다 제조된 전구체 용액은 온도와 시간을 변수로 각각 열처리하여 TiO$_2$계 복합 sol을 합성하였다. 제조된 시편은 X-선 회절 분석, 투과전자현미경, particle size analyzer, ζ-potential analyzer 및 UV-VIS Spectrometer 통을 이용하여 천이금속 첨가에 따른 TiO$_2$계 복합 sol의 형성과정과 특성변화를 관찰하였다.
고품위 산화광의 고갈로 인해 금속황화광의 제련공정의 개발이 중요해지고 있다. 금속황화광의 침출은 대부분 전기화학반응으로 크게 $H_2S$, S, ${SO_4}^{2-}$ 발생형으로 분류된다. 침출용액의 산도와 산화제의 종류 및 농도는 황의 중산생성물 형성에 큰 영향을 미친다. 산화성이 강한 침출용액에서 황 옥소음이온의 Frost도는 황의 산화수가 증가할수록 열역학적으로 안정함을 나타낸다.
본 연구는 음지에서 잘 자라는 자생 지피식물 선발을 위해 7종의 자생식물을 대상으로 광 조건을 달리하여 생장반응을 조사하였다. 비비추는 자연광의 60% 차광에서 가장 좋은 생장을 보였으며, 맥문동은 90% 차광에서 생육이 매우 좋았다. 관중은 60% 차광에서 생육이 가장 우수 하였으며, 대사초는 40% 차광에서 초장과 초폭이 신장이 좋았고 엽수도 많았다. 비비추, 맥문동, 관중 및 수호초는 차광율이 높을수록 엽록소 함량이 점차 증가되었으며, 맥문동은 완전음지나 자연광에서는 개화되지 않았다.
Coumarin기가 포함된 액정성을 가진 단량체를 액정 상태에서 UV 조사에 의해 중합하였다. Cycloaddition 반응에 의해 coumarin 액정 단량체는 이량체로 전환되었으며, 광이량화 반응 후에도 액정성이 유지되었다. 그리고 이러한 이량체는 단량체의 액정범위 보다 넓은 영역에서 액정성을 나타내었다. 화합물의 구조는 FT IR 및 $^1H$ NMR에 의해 확인하였으며, 그들의 열적 상전이온도 및 열안정성들은 DSC, GPC 및 편광현미경에 의해 조사하였다. 광중합에 의해 생성된 고분자 생성물은 광학 편광 현미경 관찰에 의해 스멕틱 및 네마틱 조직을 갖는 쌍방성 액정성을 보였다.
Spirulina platensis NIES 39의 최적 배양 조건을 확립하고자 본 연구에서는 여러 광원에 따른 균체의 생장양상을 확인하여 보았다. 이를 기반으로 형광등 및 LED 광생물반응기를 개발하여 균체농도 증가, 이산화탄소 고정화속도 및 효율, 클로로필 생산에 대한 연구를 수행하였다. 배양에 공급되는 이산화탄소 농도 및 유속은 명 조건에서 약 4 h 주기로 10 min간 5% $CO_2$, 0.1 vvm임이 확인되었다. 내부조사형 형광등 광원 및 저전력형 SMD 타입 적색광 LED 광생물반응기는 최대 배양 건조 균체량이 1.411 g/L를 넘지 못하였지만, 조도를 높인 파워형 적색광 LED (색온도 12000 K)에서는 최대 건조 균체량이 1.758 g/L가 되었다. 이 경우 이산화탄소 고정화 속도 및 효율 또한 증가되었다. 총 클로로필 생산량은 균체량 증가에 비례하여 증가하였지만, 건조균체질량당 생산량은 청색광 LED조건(색온도 7500 K)에서 더 높은 수치를 보여주었다. 그리고 최대 균체생장조건(DCW)에서 이산화탄소 농도는 주입량(5% $CO_2/Air$, v/v) 대비 유실률은 0.15% 이내로 확인되었다.
광전환 효율 20% (AM1.5G) 이상의 고효율 화합물 박막태양전지의 광흡수층으로 많은 관심을 받고 있는 $Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 태양전지의 광흡수층은 다양한 공정에 의해 제조가 가능하다. 현재 고효율 CIGS 셀 생성을 위해 널리 사용되고 있는 CIGS 흡수층 성장공정은 "co-evaporation (동시증발법)"과 2-step 공정이라 불리는 "precursorselenization(전구체-셀렌화)" 방법이다. 동시증발법은 개별원소 Cu, In, Ga, Se들을 고진공 분위기에서 고온(550~600$^{\circ}C$) 기판위에 증착하는 방법으로 소면적에서 가장 좋은 효율(~20%)을 보이는 공정이다. 하지만, 고온, 고진공 공정조건과 대면적 증착시 온도 및 조성 불균일 등의 문제점 등으로 상용화에 어려움이 있다. 전구체-셀렌화 공정은 1단계에서 다양한 방식(예: 스퍼터링, 전기도금, 프린팅 등) 방식으로 CuGaIn 전구체를 증착하고, 2단계에서 고온(550~600$^{\circ}C$)하에 H2Se gas 혹은 Se vapor와 반응시켜 CIGS를 생성한다. 일본의 Showa Shell와 Honda Soltec 등에 의해 이미 상업화 되었듯이, 저비용 대면적으로 상업화 가능성이 높은 공정으로 평가되고 있다. 하지만, 2단계에서 사용되는 H2Se 및 Se vapor의 유독성, 기상 Se과 금속전구체 간의 느린 셀렌화 반응속도, 셀렌화반응 후 생성된 CIGS 박막 두께방향으로의 Ga 불균일 분포, 생성된 CIGS/Mo 계면 접착력 저하 등의 문제점들이 개선, 해결되어야만 상업화에 성공할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 Se layer가 코팅된 금속전구체의 셀렌화 반응메카니즘을 in-situ high-temperature XRD를 이용하여 연구하였다. 금속전구체는 스퍼터링, 스프레이 등 다양한 방법으로 제조되었고, 반응메카니즘 연구결과를 바탕으로 Se 코팅된 금속전구체를 이용한 급속열처리 공정의 최적화를 시도하였다.
4',5'-디히드로소랄렌(DHP)을 합성하여 상온 및 77K에서 이 화합물의 형광 양자수율은 0.08, 인광양자수율은 0.013, 형광수명은 0.95ns, 인광수명은 0.039s 임을 알았다. 이 결과로부터 형광수명은 5,7-디메톡시쿠마린보다 작은반면 소랄렌보다 크고 반면 인광수명은 DMC 보다 크고 소랄렌보다 작음을 알았다. 소랄렌 유도체들의 광독성을 분자적 차원에서 규명하고 DNA에의 광부가 반응을 알아내기 위하여 DHP와 TME의 광부가 반응을 연구하였다. 주 생성물은 TLC로 분석하고 Preparative TLC와 용매추출로 분리해냈다. 분리된 생성물의 구조는 질량분석기, UV, IR, NMR 그리고 원소분석결과에 의해 DHP와 TME외 광고리화첨가반응에 의한 생성물 임을 알았다. DHP는 형광의 자체소광 효과를 볼 수 없으며 TME, 에틸푸마레이트, 푸마로니트릴에 의해 형광이 효과적으로 소광된다. 광부가 반응의 양자수율과 소광실험에서 DHP의 광첨가반응은 단일상태와 삼중상태에서 다 일어나는 것으로 추측된다.
5-치환 2-Furaldehyde류의 양성자화 반응을 25$^{\circ}C$, 황산 수용액 속에서 분광광도법으로 조사하여 각 반응물질의 염기도 상수인 p$K_{BH+}$값을 과산도 (execess acidity)법으로 구하였다. 전자 주게 치환기를 가진 5-methyl-2-Furaldehyde의 염기도 상수는 전자 받게 치환기를 가진 5-nitro-2-Furaldehyde의 염기도 상수보다 크게 나타났으며 pK단위로 3.25정도 차이가 나는 것을 알수 있었다. 각 반응기질의 양성자화 반응으로부터 형성된 짝산의 용매화 정도를 나타내는 m값은 본 반응계와 유사한 반응물질인 acetophenone과 비슷한 크기로 나타남을 알 수 있었다. 2-Furaldehyde의 치환기 변화에 따른 염기고 상수의 변화 값인 -${\Delta}pK_{BH+}$과 m의 상관관계가 좋은 직선성을 보였다
Pyrylium염 화합물은 양전하를 띄고 있어 유용한 합성반응에 널리 이용되고 있다. 또한 전자를 받아들이는 특성을 갖고 있어 광유도전자전이(PET) 반응의 감광제 등에 응용되고 있다. 우리는 본 연구에서 몇몇 2,6-disubstituted pyrylium fluoroborate 염 화합물을 산성 매체(acetic anhydride/acid) 하에서 합성하였다. 합성한 화합물을 $^{1}H-NMR$, FT-IR과 TOF Mass로 그 구조를 확인하였다. 또한, 그 광특성을 UV-Vis를 통해 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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