• 한국광물학회지
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• 제30권2호
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• pp.59-70
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• 2017

$SiO_2$는 지각과 맨틀을 구성하는 풍부한 물질로 고압 상태의 $SiO_2$ 원자구조를 결정짓는 전자구조적 특성에 대한 상세한 이해는 지구 내부의 탄성과 열역학적 성질에 대한 통찰을 제공한다. $SiO_2$처럼 경원소(low-z)로 이루어진 지구 물질의 고압상 전자구조는 in situ 고압 XRS (x-ray Raman scattering) 실험을 통해 연구되어 왔다. 하지만 기존의 고압 실험 방법으로는 물질의 국소 원자구조와 XRS 스펙트럼 간 상관관계를 밝히는데 한계가 있다. 이를 극복하고 더 높은 압력에서 존재하는 $SiO_2$에 대한 XRS 정보를 얻기 위해 밀도 범함수 이론(density functional theory; DFT)에 기반을 둔 제1원리(ab initio) 계산법을 이용한 XRS 스펙트럼 계산 연구들이 진행되고 있다. 비탄성 X-선 산란에 의하여 원자핵 주변 1s 오비탈에 만들어지는 전자-정공(core-hole)은 경원소 물질의 국소 전자구조에 크게 영향을 미치기 때문에 O K-edge XRS 스펙트럼 형태를 계산할 때 중요하게 고려해야 한다. 본 연구에서는 온-퍼텐셜 선형보충파(full-potential linearized augmented plane wave; FP-LAPW) 방법론에 기반하는 WIEN2k 프로그램을 사용하여 ${\alpha}-quartz$, ${\alpha}-cristobalite$ 그리고 $CaCl_2$-구조를 갖는 $SiO_2$에 대한 O 원자 전자 오비탈의 부분 상태밀도(partial density of states; PDOS)와 O K-edge XRS 스펙트럼을 계산하였다. 또한, $CaCl_2$-구조를 갖는 $SiO_2$의 O 원자 PDOS의 전자-정공 효과의 적용 여부에 따른 차이를 비교하여, 원자핵 부근 전자구조 변화에 따른 PDOS의 피크 세기와 위치 변화가 크게 나타났다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 계산된 각 $SiO_2$ 구조의 O K-edge XRS 스펙트럼이 각 $SiO_2$ 구조에서 계산된 O 원자의 $p^*$ 오비탈의 PDOS 결과와 매우 유사한 형태를 갖고 있음을 확인하였다. 이는 O K-edge XRS 스펙트럼이 갖는 대부분의 특징적인 피크들이 O 원자의 점유 1s 오비탈에서 $2p^*$ 오비탈로의 전자전이에 기인하기 때문이다. 본 연구의 결과는 $SiO_2$에 대한 정확한 O K-edge XRS 스펙트럼을 계산하는데 있어 전자-정공 효과를 고려해야 한다는 사실을 보여준다. 또한, 실험적으로는 재현이 어려운 고압 환경에 존재하는 $CaCl_2$-구조를 갖는 $SiO_2$ (~63 GPa)에 대한 O K-edge XRS 스펙트럼 계산을 통해, 제1원리 계산이 고압상 물질의 물성 연구에 이용될 수 있다는 사실을 보여준다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제10권8호
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• pp.1795-1801
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• 2009

본 연구는 태양광과 자가발전을 이용한 휴대가능한 손전등 기술로서 전기를 사용할 수 없는 극한 상황에서 수동으로 자가발전을 할 수 있도록 구성하였다. 주간에는 태양전지를 이용하여 배터리를 충전시키고, 태양광을 이용 할 수 없는 경우에는 손잡이를 회전하여 전기를 발전시켜 배터리를 충전하도록 구성하였다. 빛의 밝기를 개선하기 위해 광학 렌즈를 이용하여 빛을 집광시켜 빛의 밝기를 개선하며, 저소비전력 회로를 구성하여 램프 방전 시, 소비전력을 억제하여 장기간 사용이 가능하도록 하였다. 배터리 충전 및 외부 휴대용 기기를 충전하기 위한 안정적인 정전압/정전류 회로를 구성하여 안정적인 충전이 이루어지도록 하였다. 배터리 장기간 사용하지 않는 경우, 배터리의 과방전이 이루어지지 않도록 과방전 회로를 구성하고, 과충전이 이루어지지 않도록 보호회로를 장착하였다. 또한 가정용 아답터를 이용하여 상시 충전이 가능하도록 하였다. 이와 같은 결과로 자가발전 손전등을 구현하였으며, 평상 시 주간에는 태양광으로 충전이 가능하며, 또한 가정용 사용전원으로 충전이 가능하도록 구현하였다. 그리고 광학 렌즈기술을 적용하여 빛의 밝기가 극대화되어 원거리 조사기능이 가능하며, 야간에도 독서가 가능한 백색 자연광을 발산하도록 구현하였다.