본 논문에서는 격자구조의 유전체에 수직으로 입사된 전자기파의 산란, 투과 특성을 얇은 위상 막 근사화 이론을 이용하여 분석하였다. 위상 막 근사화 이론은 격자구조가 입사되는 전자기파의 위상 변화만을 주는 것으로 간주하는 것으로 이를 이용하여 격자구조를 통과한 직후인 근거리 필드 분포를 TE 모드에서 계산하였다. 기존의 제시된 이론에 비해 비교적 간단하고 빠르게 산란 필드를 분석할 수 있다.
고체 표면의 구조해석 방법에는 LEED(저에너지 전자선 회절법)나 RHEED(반사 고에너지 전자선 회절법) 등과 같이 표면의 2차원적 회절상을 해석하는 방법이 있고(역격자 공간의 해석), 또는 ISS(이온산란 분광법), RBS(러더포드 후방산란법) 등과 같이 표면 원자의 실공간에 대한 정보를 직접 얻는 방법이 있다. 실제로는 두 가지 종류의 분석법을 상호 보완적으로 조합하여 효율적인 구조해석을 수행한다. 본고에서는 직충돌 이온산란 분광법(ICISS: Impact Collision Ion Scattering Spectroscopy)에 대한 원리, 장치, 측정방법 등을 소개한 전고에 이어서 이를 이용한 반도체 표면구조 해석에 관하여 기술하고자 한다. 표면의 원자구조를 알아내기 위해서는 산란된 입자의 강도를 입사각도와 출사각도에 대하여 조사하여야 하는데, 이온이 원자와 충돌하여 산란될 때 원자의 후방으로 형성되는 shadow cone에 의하여 생성되는 집속 효과(focusing effect) 및 가리움 효과(blocking effect) 중에서 ICISS는 집속 효과만을 고려하여 해석하면 실공간에서의 원자구조를 해석할 수 있다. 본 고에서는 ICISS를 이용하여 금속 또는 절연체 물질이 반도체 표면 위에서 흡착 또는 성장될 때 초기의 계면 구조 해석, 금속/반도체 계면에서 시간에 따른 동적변화 해석, III-V족 반도체의 표면구조 해석, 반도체 기판 위에서 박막 성장 과정 해석 등에 관한 연구 사례를 소개하고자 한다.
표면 및 계면층의 결정구조, 결함구조, 불순물 편석, 표면의 전자 구조, 원자 진동 등과 같은 산화물의 표면물성은 촉매, 센서, 소결, 마찰, 부식 등과 같은 분야에서 그 특성을 좌우한다. 고체 표면의 결정구조 해석 수단으로 저에너지 이온산란 분광법이 유용한 도구로 알려져 있는데, 이 방법의 뛰어난 표면민감성은 표면에서의 효과적인 이온 중성화 과정에 기인한다. $He^+$, $Ne^+$, $Ar^+$ 등과 같은 이온은 Auger 중성화 과정에 의하여 쉽게 중성원자화 되고, 중성화 확율의 타겟에 대한 의존성이 낮기 때문에 이온빔으로서 종종 사용된다. 산란각도를 180$^{\circ}$로 고정하여 산란이온 검출기를 설치한 직충돌 이온산란 분광법의 경우는 산란된 이온의 궤적이 입사궤도와 거의 동일하기 때문에 산란궤적의 계산이 간단해지고, 수 층 깊이의 원자구조의 해석이 가능해진다. 본 고에서는 고체 표면의 원자구조를 실공간에서 해석할 수 있는 직충돌 이온산란 분광법에 대하여 측정의 기본원리, 측정장치, 간단한 분석 예 등에 관하여 기술하고자 하며, 다음 편에서는 복잡한 표면구조를 가지는 반도체 표면에서 직충돌 이온산란분광법의 이용하여 해석한 예를 중심으로 기술하고자 한다.
본 논문에서는 무한한 도체 플랜지가 장착된 개방형 직사각형 도파관의 구조에 대한 산란 행렬을 구하였다. 산란 행렬의 정확도를 검증하기 위해서 산란 행렬로부터 부하 어드미던스 $Y_{L,10}$를 계산하여 기존의 논문 결과와 비교하고, TE와 TM모드 수에 증가에 따른 산란 행렬의 수렴도를 조사하여 본 논문에서 제시한 산란 행렬 방법의 타당성을 확인하였다. 그리고 도파관의 개구면을 통하여 자유공간으로 방사되는 패턴을 제시하였다.
본 논문은 integral equation-fast Fourier transform(IE-FFT)과 block matrix preconditioner(BMP)를 이용하여 침투 가능한 구조물의 전자기 산란 문제를 다룬다. IE-FFT는 모멘트 법(the method of Moments : MoM)에 의해 형성된 행렬방정식의 해를 계산하기 위하여 반복법의 연산량을 상당히 개선할 수 있다. 또한 전기적으로 커다란 구조물로부터 형성된 행렬방정식에 BMP가 적용된 반복법을 적용하면 반복 횟수를 크게 줄여 행렬방정식의 해를 빠르게 계산할 수 있다. 수치해석 결과는 IE-FFT와 BMP를 적용하여 침투 가능한 구조물의 전자기 산란 문제를 빠르고 정확하게 계산할 수 있음을 보여준다.
본 논문에서는 X-ray 진단에서 산란선으로 인한 영상의 왜곡을 보정하는 방법으로서 수정된 구조의 AE(Auto-Encoder) 모델에 기반한 방법론을 제안한다. 기존 AE 모델의 계층에 따라 특징지도의 크기가 축소되고 팽창되는 과정에서 영상 복원에 필요한 정보가 소실될 가능성을 보완하기 위하여 동일 레벨 계층 간에 스킵 연결을 추가하였다. 또한 X-ray 영상에서 피사체 세부 부위의 두께와 밀도에 따라 산란선의 영향이 서로 다른 형태로 나타난다는 특성을 학습 과정에 효과적으로 반영하기 위하여 어텐션 모듈을 추가한 네트워크 구조를 도입하였다. 총 80 쌍의 흉부 X-ray 영상 데이터에 대하여 기존의 AE 모델을 사용한 방법 및 U-Net 과 FFA-Net 모델을 사용한 영상 복원 기법의 실험 결과를 상호 비교함으로써 제안된 방법의 타당성을 평가하였다.
PET/CT에서 사용되는 511 keV ${\gamma}$선의 납 차폐체 사용 유 무에 따른 에너지 흡수 분포를 몬테카를로 모의 모사를 통해 평가하였다. 실험은 ICRU Slab 팬텀을 이용하여 깊이에 따라 피부표면(0.07), 수정체(3), 심부(10)에 대해 실험을 진행하였으며, 납 두께에 따른 에너지 흡수 분포 차이와 납과 팬텀의 거리에 따른 공기층의 영향에 대해 분석 하였다. 그 결과 납 차폐체 사용 시 산란전자선에 의해 피부표면에 에너지 흡수 분포가 높게 나타났다. 산란전자선선은 납과 팬텀 사이의 거리가 증가함에 따라 점차 제거되었으며, 0.25 mm 납 차폐체 사용 시 9 cm 이상의 공기층이 있어야 피부표면의 도달하는 산란전자선의 영향을 방지 할 수 있었다. 또한 0.5 mm의 납 차폐체 사용 시 1 cm 이상의 공기층이 있어야 피부표면에 도달하는 산란전자선의 영향을 방지 할 수 있었으며, 공기층을 고려하지 않을 경우 0.75 mm이상의 납 두께를 사용하여야 피부표면의 산란전자선의 영향을 방지 할 수 있다.
금(Au)이나 은(Ag)과 같은 귀금속 물질로 형성된 금속 나노 구조체는 표면 플라즈몬 공진(Surface Plasmon Resonance, SPR) 현상과 이의 국부 환경(local environment) 변화에 대해 민감한 의존성으로 인하여 생화학적 센서로의 응용이 주목 받고 있다. 표면 플라즈몬 공진은 광 흡수와 광 산란을 수반하는데, 두 가지 특성 모두 분광학적 신호검출방식으로 센서에 응용가능하다. 이 중 광 산란을 이용하는 방식은 광원의 배경잡음 효과가 배제되기 때문에 단일 입자 검출에 유리하다. 광 흡수와 광 산란 특성은 금속 나노 구조체는 크기, 형상, 주변 매질, 물질의 선택에 따라서 영향을 받는다. 본 연구에서는 금 나노 디스크(nanodisc)의 형상에 따라서 여기 되는 표면 플라즈몬이 광 흡수와 광 산란 특성에 미치는 영향을 가시광과 근적외선 영역에 대해서 불연속 쌍극자 근사법(Discrete Dipole Approximation, DDA)을 이용하여 전사모사(simulation) 하였다. 금 나노 디스크의 형상과 플라즈몬 특성 간의 관계는 공명 파장과 산란 양자 거둠율(scattering quantum yield, $\eta$)을 이용하여 분석하였고, 센서로서의 응용을 가늠하기 위해 주변 매질의 굴절률을 조절하여 그에 따른 민감도(sensitivity )를 비교하였다. 나노 디스크의 모양이 판상에 가까워질수록 공명 파장은 적색 편이하였고 광 산란 효율과 민감도는 증가하는 현상이 나타났다. 또한, 산란 양자 거둠율은 증가하다가 완만하게 감소하는 경향이 나타났다.
기판의 표면거칠기가 반사경의 산란에 미치는 영향을 조사하였다. 기판의 표면거칠기가 다른 다섯 종류의 기판에 이온빔 스퍼터링 방법과 전자총 증착 방법으로 각각 반사율이 1에 가까운 고반사율 박막을 증착하고 산란을 TIS 방법으로 측정하였다. 기판의 표면거칠기가 2$\AA$ 이상인 경우의 기판의 산란에 대한 반사경 산란 비율은 표면거칠기가 2$\AA$ 미만인 경우의 산란 비율에 비하여 급격한 증가를 나타냄을 알 수 있었으며, 기판의 표면거칠기가 낮은 경우 반사경의 산란은 기판의 표면거칠기보다 반사경을 구성하는 박막의 미세구조에 의존하는 것으로 판단되었다. 한편 반사경 중에서 가장 작은 산란은 2.1 ppm이었고, 이것은 표면거칠기 0.23$\AA$인 기판에 이온빔 스퍼터링 방법으로 제작되었다.
정상적인 산란계와 란소 기능을 정지시킨 비산란계의 에너지 대사를 비교한 결과는 다음과 같다. 1. 절식시 열생산량(FHP)은 산란계 109.7Kcal/kg$^{0.75}$ , 비산란계 87.4 Kcal/kg$^{0.75}$ 이며 전자의 FHP가 약 25.5% 높았다. 2. 유지를 위한 ME요구량(MEm)에 있어서 산란계 149Kcal/kg$^{0.75}$ 에 대하여 비산란계는 135Kcal/kg$^{0.75}$ 이며 산란계가 10% 높았다. 이는 유지시라 하드라도 란생산을 계속하는 이상체내에서의 산란을 위해 대사작용이 계속되기 때문으로 생각된다. 3. 생산을 위한 ME의 정미이용효율(NAME)은 산란계 77%, 비산란계 83%이었다. 이 경우 체에너지 축적이 마이너스였던 산란계의 NAME은 주로 란생산을 위한 ME 이용효율이며 또 산란이 중지된 비산란계의 NAME은 증체를 위한 이용효율에 해당된다고 생각된다. 4. 산란계와 비산란계에 있어서 각각 체중과 체에너지 축적의 회귀식으로 구한 체중 1g 증감할때의 에너지치는 산란계 3.54Kcal, 비산란계5.04Kcal 가 된다. 즉, 산란계는 비산란계에 비하여 약 70%의 에너지가를 나타내어 이들은 체에너지가 란생산을 위해 이용되는 경우의 이용효율을 나타내는 것이라 생각된다. 5. 혈청중 T$_3$ 및 T$_4$ 측정결과 T$_4$농도는 유의차가 없는데 비하여 T$_3$ 농도는 산란계가 비산란계에 비하여 유의적으로 높았다. 6. 간추출액중 에너지 대사에 관여하는 효소, ATP citrate lyase, fructose diphosphate aldolase, isocitrate dehydrogenase 및 glutamic pyruvic transaminase활성을 측정한 결과 간추출액 1mg 1분간당 분해기질을 기준으로 할 때 측정한 4개 효소활성은 산란계가 비산란계에 비하여 유의적으로 증가한다. 그러나 간 1당 1분간 분해 기질을 기준으로 할 때 ICD와 APT citrate lyase만이 산란계의 활성이 현저히 증가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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