가스 하이드레이트의 생성속도와 전환율을 높이며, 동시에 생성유도시간을 억제하기 위한 방법으로 다공질 물질을 활용하여 공극 내에 물을 함침시킨 후 가스와 반응시키는 제조방법을 개발하였다. 내용적 10 L 의 대용량 고압 반응기를 제작하여 실험을 수행하였으며, 장치 대형화에 따른 다공질 실리카겔의 다짐현상에 의한 발열제어 등에 대한 문제점은 특별히 나타나지는 않았다. 하이드레이트 형성을 위한 구동력이 높을수록 생성속도가 좋아지는 것을 확인하였다. 일반 벌크상 하이드레이트 제조법과 비교하여 매우 높은 생성속도 및 전환율, 거의 제거된 생성유도시간 등은 응용기술로 활용하기에 매우 바람직한 특성으로써 선택적인 가스분리, 가스저장 매체로 활용이 가능하다.
다공질 물질 속에서 일어나는 저속 유동(Darcy Flow)에 동반한 열 및 물질 전달 문제를 해석하기 위한 새로운 수치 해석 기법이 소개되고 간단한 예제를 통하여 그 성능을 평가하였다. 본 연구의 수치 해석법은 다공질 물질 속에서 일어나는 모든 전달 현상에서 중요한 확산효과(Dispersion Effect)를 쉽게 처리할 수 있으며 특히 미정 경계선 문제(Moving Boundary Problem) 해석에도 효과적으로 적용될 수 있어 응용 범위가 넓을 것으로 기대된다.
나노 구조를 갖는 다공질 규소의 표면과 투명하고 전도성을 갖는 접촉방법을 얻기 위해 다공질 규소 표면에 CdTe 화합물 박막을 전착시키는 방법을 시도하였다. CdTe 화합물 박막은 1 M의 $CdSO_4$와 1mM의 $TeO_4$가 혼합된 전해액 속에서 전착 전위 2-2.3V(vs. Ag/AgCl)로 다공질규소의 표면에 전착시켰다. X선 회절 측정결과 다공질규소 표면에 CdTe 화합물 박막이 생성되었음이 확인되었고, AES 분석결과 표면에서 약 80nm 깊이까지 Cd 및 Te 원소가 균일하게 존재하였다. 그리고 CdTe 화합물 박막이 전착된 다공질규소의 PL 특성은 발광의 세기는 약간 검소하였고 최대파장값은 고에너지 쪽으로 이동하였다. 이 결과로 보아 CdTe 전착 박막이 나노 구조를 갖는 다공질규소와 투명하고 전도성을 갖는 접촉물질로 이용될 수 있음이 밝혀졌다.
본 연구에서는 일본 히로시마시 텐마강 하구에 위치한 점토질 갯벌을 대상으로 투수성이 높은 다공질 파일을 설치하여 갯벌 내부에서의 지하수 흐름 형성여부를 확인하고 그에 따른 저질의 성상변화를 조사하였다. 하천의 수위가 변할 때 하천수가 다공질 파일의 하부 및 상부를 통해 공급되면서 갯벌 내부에서 지하수의 흐름이 형성되는 것이 확인되었다. 지하수의 흐름을 통해 다공질 파일내의 DO 농도가 최대 4 mg/L까지 증가하였다. 다공질 파일 내부의 DO 농도의 증가는 저질내의 환원물질과 유기물량을 감소시키는데 효과적이었으며, 지하수의 흐름은 퇴적된 점토질 입자의 재부상을 촉진시키는 것으로 조사되었다. 이상의 결과로부터 점토질 갯벌 내에 다공질 파일을 설치함으로써 점토질 갯벌의 저질 환경을 효과적으로 개선할 수 있음을 확인하였다.
본 논문은 기존의 $Si_{3}N_4$, SiN 물질 대신 Pt를 사용해 HF 용액속에서 다공질 실리콘과 전극을 동시에 형성하는 기술을 개발하였다. Pt를 실리콘 웨이퍼 위에 직접 증착한 후 습식 에칭과 Lift-off 공정을 사용하여 Pt를 패터닝하였다. 습식 에칭은 에칭용액의 온도를 일정하게 유지하는 것이 중요하며, 증착한 Pt 박막이 BOE 에칭에 견디고, Lift-off 공정이 가능하기 위해서는 기판온도를 l100$^{\circ}C$ 이하로 해야한다. Pt를 사용하면 기존의 mask에서 발생하는 가장자리 부분에서의 전류 집중이 방지되기 때문에 다공질 실리콘이 일정한 깊이로 형성되고, Al대신 오믹 전극으로 사용할 수 있다. 현재 Pt를 mask와 전극으로 이용한 P-I-N UV detector, 광 바이오센서, 습도센서 제작등에 응용 연구가 진행되고 있다.
Numerical modeling for a coke dry quenching process was developed and evaluated. The cokes had similar characteristics to a porous material, therefore, its quenching analysis was simplified as a cooling process of porous blocks. A uniform inlet temperature and constant properties of materials in the oven were also assumed. With given operating conditions, temperature profiles in the cokes were calculated and compared to the actual values. The calculated temperature gradient was high at the upper part of the coke flow and the cooling rate decreased as cokes came down to the exit port. The exit port temperature of cokes was similar to the measured value, however, temperature-dependent material properties and operating conditions must be considered to predict the temperature precisely. The calculated results could be applied to design a coke oven to produce high quality cokes.
다공질 실리콘 층을 이용한 정전용량형 알코올 센서를 제조하여 수용액 상태의 알코올(혹은 에탄올) 농도를 측정하고 그 특성을 평가하였다. 알코올 중에서 술의 주성분인 에탄올은 실리콘 웨이퍼에 대해 침투성이 강하여 수용액 내에서 실리콘 웨이퍼를 가공할 때 반응을 촉진시키는 물질로서 자주 사용된다. 본 연구에서는 각각 25와 35%의 불화수소용액에서 만든 다공질 실리콘 층을 알코올 감지막으로 한 알코올 센서를 제작하여 0%에서 100%의 알코올 농도범위에 대해 감지 특성을 측정하였다. 그 결과, 100kHz 이상의 인가 주파수에 대해 빠른 응답속도 및 선형성 뿐만 아니라 양호한 재현성이 관측되었으며, 측정된 정전용량은 수용액 속의 알코올 농도가 증가할 때 다공질 실리콘 층의 전체 유전 상수가 감소하게 되어 반비례하는 관계가 관측되었다.
바이오 마이크로 시스템 및 바이오 MEMS 분야, 특히 실리콘을 기질로 하는 바이오 센서 제작에서 반도체 공정 기술은 센서의 대량 생산과 초소형화를 위해서 반드시 필요한 기술이다. 그러나, 감지전극의 마이크로화에 따른 센서의 감도 및 안정성 저하 문제는 해결해야 할 과제이다. 최근, 다공질 실리콘이 갖는 대면적이 실리콘 기질과 생체 고분자 (예: 단백질, 핵산 등) 간의 결합력을 향상시킬 수 있음이 알려지면서, 바이오 센서 분야에서, 새로운 형태의 드랜스듀서 재료로서의 다공질 실리콘에 대한 논의가 활발히 전개되고 있으며 또한, ISFET (Ion-Selective Field-Effect Transistors) 와는 달리 다공질 실리콘 층은 저항이 크기 때문에 센서 제작 과정에서의 부가적인 절연막을 필요로 하지 않는다. 본 연구에서는, 백금을 증착한 다공질 실리콘 표면에 전도성 고분자로서 Polypyrrole (PPy) 필름과 생체 고분자 물질로서 Urease를 각각 전기화학적으로 흡착하였다. 다공질 실리콘 층의 형성을 위해 테플론 소재의 전기화학 전지에 불산 (49%), 에탄올 (95%), $H_2O$ 혼합 용액을 넣고 실리콘 웨이퍼에 일정시간 수 mA의 산화 전류를 흘려주었으며, 약 $200{\AA}$의 티타늄 박막과 $200{\AA}$의 백금 박막을 RF 스퍼터링하여 작업 전극을 제작하였고, 백금 박막 및 Ag를 기화 증착하여 제작한 Ag/AgCl 박막을 각각 상대 전극과 기준전극으로 하였다. 박막 전극의 표면 분석을 위해 SEM (Scanning Electron Microscopy), EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 등을 이용하였다. 제작된 요소 센서로부터 요소 농도 범위 0.01 mmol/L ${\sim}$ 100 mmol/L에서 약 0.2 mA/decade의 감도를 얻었다.
본 논문은 마이크로머시닝 기술을 이용하여 lift-off 공정으로 패턴닝 한 후 TMAH (Tetramethylammonium Hydroxide) 용액으로 $5{\sim}100{\mu}m$ 두께의 실리콘 다이어프램을 제작하였다. Pt/Ti 박막을 HF 전해질의 mask 물질로 사용하여 HF 용액 내에서 전기화학적 방법으로 정전압을 인가, 다이어프램 영역에 다공질 실리콘을 성장시켜 관통하였다. 140$^{\circ}C$의 질소 분위기에서 $10{\sim}15{\mu}m$두께의 LDPE(Low Density Poly Ethylene) 필름을 물리적으로 다이어프램 영역에 코팅하고 $K_2CO_3$ 용액내에서 ${CO_3}^{2-}$ 이온의 barrier에 의한 전류의 감소를 전기화학적인 분석방법에 의하여 측정하였다. 일정 전압하에서 이온 농도에 기인하는 다공질 실리콘과 LDPE 표면에서 Barrier의 두께에 따른 저항의 증가를 전극으로 감지하여 농도-전류의 특성을 측정하고 이것을 기준으로 하여 미지농도의 $K_2CO_3$ 용액내의 ${CO_3}^{2-}$ 이온 농도를 측정하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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