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조선시대(朝鮮時代) 도작농업(稻作農業)의 발전(發展)과 인구증가(人口增加) (Rice Cultivation and Demographi Development in Korea : 1429-1918)

  • 이호철
    • Current Research on Agriculture and Life Sciences
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    • 제7권
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    • pp.201-219
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    • 1989
  • Rice culture in Korea has a long history ranging over two thousand years. In the agriculture economy of pre-mordern Korea, however, its importantce was not as great as generally assumed. In fact, rice culture reached full development only after the 1920s when the Japanese colonial government carried out its drive to increase rice production in the Korea peninsula. It was not until the mid-1930s that rice became the staple in Korean diet. This can be attributed to two factors : (1) a mountainous topography that provides little irrigated fields and (2) a climate characterized by droughts in spring and heavy precipitation in summer. The present paper attempts to answer some of these questions. Specifically it will focus on these : Did the development of rice culture actually result in population growth? What are the salient features of agricultural develdpment and population grow in traditional Korea? Does the case of Korea conform the prevailing generalization about the agriculture in East Asia? I have discussed the development of rice culture and population growth in the Chos$\breve{o}$n dynasty, focusing on the relation between the rapid spread of transplanting and the rapid growth of population from the seventeenth to the nineteenth century. Here are my conclusions. (1) The spread of transplanting and other technological innovationsc contributed to the rapid growth of population in this period. However, we should also note that the impact of rice culture on population growth was rather limited, for rice culture was not the mainstay of agricultural economy in pre-modern Korea. Indeed we should consider the influence of dry field cropsn population growth. Nevertheless, it is obvious that the proliferation of rice culture was a factor crucial to population growth and regional concentration. (2) How should we characterize the spread of rice culture in the whole period? Evidently rice culture spread from less then 20% of cultivated fields in the fifteenth century to about 36% of them in the early twentieth century. Although rice as a single crop outweighed other crops, rice culture was more then counter-balanced by dry field crops as a whole, due to Korea's unique climate and geography. Thus what we have here in not a typical case of competition between rice culture and day field culture. Besides, the spread of rice culture in the seventeenth and eighteenth centuries accomplished by technological innovations that overcame severe springtime drought, rather than extensive irrigation. Althougt irrigarion facilities did proliferate to some extent, this was achieved by local landlords and peasants rather than the state. This fact contradicts the classical thesis that the productivity of rice culture increased through the state management of irrigation and that this in turn determined the type of society. (3) We should further study other aspects of the transition from the stable population and production struture in the fifteenth and sixteenth centuries to the rapid population growth and excessive density of population thereafter. We should note that there were continuing efforts to reclaim the land in order to solve the severe shortage of land. Changes also took place in the agricultural production relations. The increase in land producrivity developed tenancy based on rent in kind, and this in turn increased the independence of tenants from their landlords. There were changes in family relations-such as the shift to primogeniture as an effort to prevent progressive division of property among multiplying offspring. The rapid population growth also produced a great mass of propertyless farm laborers. These changes had much to do with the disintegration of traditional social institutions and political structure toward the end of the Chos$\breve{o}$n dynasty.

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울진 소광리 금강소나무림 식생구조 특성에 따른 관리방안 (A Study on the Management Method in Accordance with the Vegetation Structure of Geumgang Pine (Pinus densiflora) Forest in Sogwang-ri, Uljin)

  • 김동욱;한봉호;박석철;김종엽
    • 한국조경학회지
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    • 제50권1호
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    • pp.1-19
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    • 2022
  • 울진 소광리 금강소나무림은 전통적으로 목재생산 목적의 소나무 보호지역(봉산)이었으며, 현재는 산림청 산림유전 자원보호구역으로 지정·관리되고 있다. 본 연구는 지형 특성, 현존식생, 수령, 식물군집구조를 분석하여 임목생산을 목적으로 한 울진 소광리 금강소나무림의 지속가능한 관리방안을 제안하고자 하였다. 대상지 지형 특성은 능선 36.7%, 계곡 38.7%로 능선과 계곡의 비율이 유사하였으며, 사면은 전체 면적의 24.7%로 좁게 형성되어 있었다. 소나무림 군집 유형은 소나무림의 갱신 진행상태, 낙엽활엽수 등 타 수종과의 경쟁상태, 층위구조 형성 여부 등을 기준으로 6개 유형으로 구분되었다. 대경목 소나무(흉고직경 40~60cm)의 수령은 약 60~70년 내외로 비교적 수령이 낮은 것으로 확인되었다. 상대우점치 및 층위구조를 분석한 결과, 소나무림 갱신 사업의 진행 정도에 따라 차이를 보이고 있었고, 소나무림의 유지뿐만 아니라 소나무 후계림의 조성, 소나무의 밀도 조절, 경쟁수목에 대한 적극적 관리를 실시하고 있었다. 군집별 평균 흉고단면적은 400m2 방형구를 기준으로 교목층은 12,642.1~25,424.4cm2, 아교목층은 1.8~1,956.5cm2이었다. 흉고단 면적의 차이는 교목층을 형성하는 수목의 규격과 개체수, 소나무림의 갱신 정도(소나무 간벌 후 시간경과 정도)에 따라 차이가 나타났다. 군집별 평균 출현 종수는 8.7~20.3종으로 계곡부에 위치하고 있는 유형과 관리가 이루어지지 않아 낙엽활엽수와의 경쟁이 진행 중인 유형에서 출현 종수가 많았다. 종다양도는 0.6915~1.0942로 온대중부지역 소나무군집과 비교하여 낮은 것으로 평가되었다. 울진 소광리 금강소나무림의 관리목표는 경제적 가치가 높은 목재생산으로 설정하였으며, 지속적인 조림 및 목재생산 체계 구축, 목재생산량 증진을 위한 효율적 식생관리를 관리방향으로 제시하였다.

확률적 위험도분석을 이용한 ITS사업의 경제성평가모형 (Development of Evaluation Model for ITS Project using the Probabilistic Risk Analysis)

  • 이용택;남두희;임강원
    • 대한교통학회지
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    • 제23권3호
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    • pp.95-108
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    • 2005
  • 본 연구는 결정적 경제성분석모형(Deterministic Economic Analysis : DEA)의 한계를 극복할 수 있는 확률적 위험도분석(Probabilistic Risk Analysis : PRA) 모형을 이용하여 ITS사업의 경제성평가모형을 개발하고 사례분석을 통해 모형의 적합성(Goodness-of-fit)과 유용성을 검증하는 것이다. 즉 ITS사업의 경제성에 영향을 미치는 위험변수를 확률밀도함수(PDF), 누적확률밀도함수(CDF)로 산출하고 몬테카를로 시뮬레이션기법(Monte-Carlo Simulation Approach : MCSA)을 통해 산출된 결과변수(사업비, 경제성지표)의 통계값에 대해 합리적인 의사결정 방법론을 정립하였다. 대규모 지방자치단체 ITS사업의 사례분석(대전광역시 첨단교통모델도시사업) 수행결과, 통합시스템의 사업비 총사업비는 PRA모형을 통해 산출된 확률분포 상에서 편의(Bias)된 백분율값으로 나타났으며, 사업비 총사업비의 변동계수가(각각 15, 4) 일반교통사업에 비해 낮아, ITS사업의 위험도가 높은 것으로 나타났다. 또한 PRA모형의 결과변수(B/C, NPA, IRP)가 변동가능한 사업환경 하에서 90%이상 모두 경제성이 있는 것으로 나타났다. 그러나 총사업비 사업비의 우발성비용(목표관리값 85%기준)이 발생하는 것으로 나타나 경제성은 높으나 사업비 초과 위험도는 높은 사업으로 분류되었다. 또한 DEA모형의 경제성평가지표는 PRA모형의 확률분포 상에 단일 %값(B/C:27%값, NPV:27%값, IRR:33%값)으로 나타나며, 평균값 또는 중앙값과 비교할 때, 경제성이 과소추정(Underestimate)되는 것으로 나타났다. 또한 단위시스템의 우선순위결과정에서 모형에 따라 우선순위가 바꾸는 결과가 나타났다. 특히 대규모 ITS사업의 경제성평가 시 DEA모형이 편의된 하나의 사례만으로 경제성을 평가함으로써, 경제성을 과대 과소추정하거나 비합리적인 투자우선 순위를 도출하는 오류를 범할수 있는 것으로 나타났다.

정상침투조건에서 흡입응력을 고려한 불포화 무한사면의 안정해석 (Stability Analysis of the Unsaturated Infinite Slope Considering Suction Stress under Steady Infiltration Condition)

  • 송영석
    • 한국지반공학회논문집
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    • 제29권9호
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    • pp.5-15
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    • 2013
  • 본 연구에서는 흡입응력을 고려한 불포화 사면의 안정해석기법(Lu and Godt, 2008)을 제시하고, 모래로 구성된 특정사면에 대하여 적용한 결과를 분석하였다. 흡입응력을 고려한 불포화 사면의 안정해석기법은 강우의 침투 및 비침투에 따른 해석이 가능하고, 토층내 깊이에 따른 사면안전율을 산정할 수 있다. 또한 지표면으로부터 일정깊이까지의 풍화작용에 의한 영향을 고려할 수 있다. 이를 위하여 상대밀도 60%의 주문진 표준사로 구성된 불포화 무한사면에 대하여 흡입응력을 고려한 안정해석기법을 적용하였다. 강우의 비침투 조건에서 흡입응력은 지하수위로부터 상부의 일정깊이까지만 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 강우의 정상침투 조건에서 흡입응력은 토층내 전체적으로 영향을 미치며, 지표면 부근에서 흡입응력이 가장 크게 발현됨을 알 수 있다. 강우의 비침투 조건에서 무한사면의 안전율은 지하수위에 의한 흡입응력의 영향범위 내에서 급격하게 증가 및 감소하였다. 사면안정해석결과 지표면으로부터 2.4m사이에서 사면안전율이 1이하 이므로 해당깊이에서 사면파괴가 발생될 가능성이 높은 것으로 나타났다. 강우의 정상침투가 발생되는 조건에서 무한사면의 안전율은 침투로 인한 토층내 흡입응력의 영향으로 비침투 조건에 비해 증가함을 알 수 있다. 그러나 강우의 정상침투율이 포화투수계수에 가까워짐에 따라 사면안전율은 감소하는 경향이 나타났다. 강우의 정상침투율이 $-1.8{\times}10^{-3}cm/s$인 경우 무한사면의 안정해석결과 지표면으로부터 0.2m에서 3m 사이에서 사면안전율이 1 이하이므로 해당깊이에서 사면파괴가 발생될 가능성이 높으며, 이는 얕은 산사태의 발생형태임을 알 수 있다.

Ti-6Al-4V 합금 표면에 생성된 $TiO_2$ 나노튜브의 전석회화 처리 (Precalcification Treatment of $TiO_2$ Nanotube on Ti-6Al-4V Alloy)

  • 김시정;박지만;배태성;박은진
    • 대한치과보철학회지
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    • 제47권1호
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    • pp.39-45
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    • 2009
  • 연구목적: 최근 치과용 임플란트의 임상 경향이 전체 치료기간을 줄일 수 있는 방법에 관심이 집중됨에 따라 불활성의 티타늄 임플란트 표면에 활성을 부여하기 위한 다양한 표면처리 방법이 검토되고 있다. 본 연구에서는 높은 강도가 요구되는 부위의 임플란트 재료로서 사용되고 있지만 표면 특성이 순 티타늄에 비해 떨어지는 Ti-6Al-4V 합금의 골전도성을 개선할 목적으로 시행되었다. 연구 재료 및 방법: $20{\times}10{\times}2\;mm$의 Ti-6Al-4V 합금판을 준비한 다음 $TiO_2$ 나노튜브를 형성하기 위해 DC 정전원 장치의 양극과 음극에 각각 시편과 백금판을 결선하고 0.5 M $Na_2SO_4$와 1.0 wt% NaF를 함유하는 전해액을 사용하여 전압 20 V와 전류밀도 $30\;㎃/cm^2$ 조건에서 2시간 동안 양극산화 처리하였다. $TiO_2$ 나노튜브 형성 후 산화 피막층의 결정화를 유도하기 위해 $600^{\circ}C$에서 2시간 동안 열처리하였고, 표면활성도를 개선하기 위해 0.5 M $Na_2HPO_4$ 수용액 24시간 침적과 $Ca(OH)_2$ 포화 수용액에 5시간 침적을 시행하였다. 준비한 시편의 표면 반응성을 조사하기 위해 pH와 무기이온의 농도를 사람의 혈장과 유사하게 조절한 Hanks 용액 (H2387, Sigma Chemical Co., USA)에 2주간 침적하였다. 결과: 20 V에서의 양극산화처리로 직경 48.0 - 65.0 ㎚ 범위의 무정형의 $TiO_2$ 나노튜브가 전체 표면에 걸쳐서 균일하게 생성되는 양상을 보였다. $TiO_2$ 나노튜브는 $600^{\circ}C$에서 2시간 열처리 후 상대적으로 강한 anatase 피크와 함께 rutile 피크가 관찰되었다. $TiO_2$ 나노튜브의 표면활성도는 0.5 M $Na_2HPO_4$ 수용액 24시간 침적과 $Ca(OH)_2$ 포화수용액에 5시간 침적으로 개선되었다. 열처리와 전석회화 처리 후 SBF에 침적한 결과, $TiO_2$ rutile 피크의 상대적 강도는 크게 증가되었지만 HA의 석출은 저하되는 경향을 보였다. 결론: 이상의 결과로 미루어 볼 때, 양극산화 처리한 $TiO_2$ 나노튜브는 $600^{\circ}C$에서의 열처리에 의해 피막층이 안정화되고, 0.5 M $Na_2HPO_4$ 수용액 24시간 침적과 $Ca(OH)_2$ 포화수용액에 5시간 침적으로 표면에 인산칼슘층을 형성하는 것이 표면활성도를 개선하는데 유효함을 알 수 있었다.

인공산성우(人工酸性雨)가 잣나무 및 쥐똥나무 유묘(幼苗)의 엽내(葉內) 엽록소(葉綠素) 함량(含量)에 미치는 영향(影響) (Effects of Simulated Acid Rain on the Chlorophyll Contents in the Needles of Pinus koraiensis and Ligustrum obtusifolium Seedlings)

  • 김창호;정용문
    • 한국산림과학회지
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    • 제76권1호
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    • pp.11-16
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    • 1987
  • 잣나무 유묘(幼苗)와 쥐똥나무 삽목묘(揷木苗)를 인공산성우(人工酸性雨)로 처리(處理)하고 엽내(葉內) 엽록소(葉綠素) a와 b의 함량(含量)을 분석(分析)하여 양(量)의 증감(增減)에 따른 산도(酸度) 수준(水準)의 영향(影響)을 논의(論議)하였다. 처리(處理)된 시험수종(試驗樹種)은 1985년(年) 봄에 pot에 재배(栽培)되고 해당지역(該當地域)의 30년간(年間)의 강우(降雨) 양식(樣式)을 모의(模擬)해서 산성우(酸性雨)(pH 수준(水準) 6.5, 4.0 및 2.0)를 5월(月)부터 8월(月)까지 4개월간(個月間)에 걸쳐 살포(撒布)하고, 동년(同年) 9월(月) 18일(日) 성숙(成熟)된 엽(葉)을 채취(採取)하여 엽중(葉中)의 엽록소(葉綠素)를 분석(分析)하였다. 분석(分析) 결과(結果)에 의(依)하면, 양(兩) 수종(樹種) 공통적(共通的)으로 산성우(酸性雨)의 산도(酸度)가 강(强)해짐에 따라 엽록소(葉綠素) a와 b의 함량(含量)은 감소(減少)하는 경향(傾向)을 보였고. 엽록소(葉綠素) a에 있어서는 감소(減少) 경향(傾向)이 통계적(統計的)으로 유의(有意)했고, 엽록소(葉綠素) b의 경우(境遇)는 유의(有意)하지 않았으나 감소(減少) 경향(傾向)이 있는 것으로 받아들일 수 있었다. 산성우(酸性雨)의 pH 수준(水準)에 따른 엽록소(葉綠素) a와 b에 대한 감소(減少) 효과(効果) 차이(差異)에 있어서는 양(兩) 수종(樹種) 모두 pH 수준별(水準別)로 감소(減少) 지수(指數)가 유사(類似)하였으며, 따라서 엽록소(葉綠素) a 대(對) b의 함량비(含量比)는 산성우(酸性雨)의 pH 수준(水準) 여하(如何)에 불구(不拘)하고 일정(一定)한 값을 유지(維持)하고 있었다.

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리그노셀룰로오스 섬유 기반 활성탄-첨가 섬유판 필터의 미세먼지 저감장치용 적용가능성 평가 (Evaluating the Applicability of Activated Carbon-added Fiberboard Filters Fabricated with Lignocellulosic Fiber for the Reduction Equipment of Particulate Matter)

  • 양인;소재민;황정우;최준원;이영규;최원실;오승원;문명철
    • Korean Chemical Engineering Research
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    • 제59권4호
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    • pp.548-556
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    • 2021
  • 본 연구는 부직포의 환경오염 문제를 해결하기 위하여 리그노셀룰로오스 섬유와 야자각 활성탄(CSA)을 이용한 미세먼지-저감 여과필터의 제조 가능성을 조사하였다. CSA의 경우, 휘발성 유기화합물(VOC)과 유해금속의 저감을 위한 여과필터 제조용 원료로서 적용 가능성을 확인하였으며, CSA의 VOC 저감효과는 목섬유보다 5배 이상으로 측정되었다. 돈모, 인모, 돈혈과 같은 단백질계 원료와 낙엽송 수피 열수 추출물을 이용하여 조제한 천연접착제를 적용하여 최소 200 kg/m3의 목표밀도와 함께 최대 40 wt%의 CSA로 제조된 섬유판은 취급이 가능한 강도를 보유한 것으로 나타났다. 그러나 이 조건에서 제조된 섬유판의 경우, 통기성이 낮아 이를 해결하기 위하여 통기구를 가진 섬유판의 제조가 요구되었다. 활성탄으로 사용한 CSA는 강도 및 성형성을 고려하여 입자의 크기는 2 mesh 이상으로 조절이 필요하였고, 표층에는 목섬유만 심층에는 목섬유와 활성탄으로 구성된 3층 섬유판으로 제조하는 방안이 최적조건으로 도출되었다. 한편 필터지(한지)는 우수한 미세먼지 여과능을 가진 것으로 조사되었으며, 결과적으로 타공 섬유판과 함께 한지로 구성된 여과필터 세트가 부직포로 생산되고 있는 기존 여과필터를 대신하여 실내외 공간에 존재하는 미세먼지외에 VOC와 유해금속 등의 저감장치용 여과필터로서 사용이 가능한 것으로 나타났다.

비브리오 패혈증에 미치는 LDL의 영향 (The Effect of LDL on Vibrio vulnificus Septicemia)

  • 김종현;김종석;류완희;허현
    • 한국식품위생안전성학회지
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    • 제21권4호
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    • pp.213-217
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    • 2006
  • 비브리오 불니피쿠스는 우리의 식생활과 밀접한 관계가 있는 어패류와 바닷물에 의해 간경화 같은 만성 간질환 환자에 주로 감염되어 높은 치사율을 보이는 비브리오. 패혈증을 일으킨다. 그러나 현재까지도 항생제 같은 대증적 요법 외 효과적인 치료 및 예방 방법이 없는 실정이다. 최근 혈중 LDL같은 지단백질 이 감염 과 염증반응에 중요한 방어작용을 가지고 있음이 알려졌다. 따라서 LDL이 비브리오 패혈증에 영향을 미치는지 평가해 보았다. 비브리오 패혈증을 일으키는 비브리오 불니피쿠스 균을 배양하고, 대표적인 병태 인자인 비브리오 불니피쿠스 cytolysin를 추출하여 cytolysin의 용혈 활성에 혈청, 콜레스테롤 및 LDL의 영향을 조사하였다. 그리고 마우스에 직접 LDL를 복강 내 주입하여 혈중농도를 변화시킨 후 비브리오 불니피쿠스 균의 마우스 사망률을 조사하였다. 또한 전북 지역 대학 병원에서 비브리오 패혈증 환자에서 생존한 환자와 사망한 환자의 콜레스테롤과 LDL를 조사하였다. 비브리오 불니피쿠스 cytolysin의 용혈 활성은 혈청, cholesterol 및 LDL에 의해 억제되었다. 비브리오 불니피쿠스 균의 마우스 사망률은 LDL을 주입한 경우 40%나 사망률이 낮게 나타났다. 전북 지역 대학 병원에 비브리오 패혈증으로 입원 중인 환자 (15명)의 혈액 분석에서 정상 수준의 콜레스테롤 $(190.8{\pm}16.3)$과 혈청 지단백질 LDL $(53.3{\pm}40.7)$을 가진 환자는 모두 생존하였다 (4명). 그러나 정상보다 낮은 수치 ($35.6{\pm}13.9,\;LDL;\;59.2{\pm}15.1$, 콜레스테롤)를 보이는 환자는 사망하였다 (11명). 콜레스테롤과 LDL은 비브리오 불니피쿠스 cytolysin의 독작용의 억제 요소로서, 비브리오 패혈증의 예후에 중요한 요소임이 밝혀졌다. 또한 이는 콜레스테롤과 LDL이 비브리오 패혈증의 예방과 치료에 중요한 지표가 될 수 있음을 시사한다.

어체의 초음파 산란특성에 관한 연구 (Acoustic Scattering Characteristis of the Individual Fish)

  • 신형일
    • 수산해양기술연구
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    • 제27권1호
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    • pp.21-30
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    • 1991
  • 어군탐지기를 이용하여 어군량을 추정할 때 필요한 어체의 평균반사강도를 정량적으로 계측하기 위한 디지털측정시스템을 제작하고, 이의 성능을 ogive와 장타원체 표적을 대상으로 검정하는 한편, 실제 8개 어종에 대한 체장별, 체중별, 주파수별 반사강도를 측정하여 반사강도의 평균화에 대하여 검토한 결과를 요약하면 다음과 같다. 1. 본 연구에서 제작한 어체의 반사강도 디지털측정시스템은 ogive와 장타원체 표적을 대상으로 이론 및 실험적인 산란특성을 비교, 검정한 결과, 양자가 서로 잘 일치하여 정도가 매우 높다고 판단되었다. 2. 8개 어종에 대한 어체의 평균반사강도는 말쥐치, 병어, 갈전갱이, 전갱이, 민어, 강달이의 경우, 평균체장이 각각 16.1cm, 28.8cm, 17.9cm, 17.6cm, 32.0cm, 15.5cm이고, 평균체중이 각각 62.0g, 475.2g, 110.0g, 58.8g, 319.5g, 39.0g였을 때 25kHz에서 각각 -40.8dB, -39.9dB, -41dB, -36.9dB, -35.7dB, -41.1dB였고, 100kHz에서는 각각 -43.0dB, -45.8dB, -45.9dB, -41.9dB, -39.1dB, -45.2dB였다. 또, 50kHz에 대한 말쥐치, 민어, 노래미, 넙치의 평균반사강도는 각각 -44.5dB, -40.6dB, -42.0dB, -42.2dB이었다. 3. 어종별 어체의 체장(L, cm)과 평균반사강도(TS, dB)와의 관계를 TS=A+20Log(N)의 회귀직선식에 근사시켰을 때, 어종별에 대한 회귀직선식의 계수 A 값은, 말쥐치, 병어, 갈전갱이, 전갱이, 민어, 강달이의 경우, 25kHz에서 각각 -65.1dB, -69.4dB, -67.5dB, -62.7dB, 65.7dB, -65.5dB였고, 100kHz에서는 각각 -67.2dB, -75.9dB, -71.0dB, -67.9dB, -69.5dB, -69.0dB였다. 또, 50kHz에 대한 말쥐치, 민어, 노래미, 넙치에 대한 A 값은 각각 -69.1dB, -70.1dB, -65.5dB, -68.6dB이었다. 4. 8개 어종에 대하여 어체의 중량 1kg당에 대한 평균반사강도는 말쥐치, 병어, 갈전갱이, 전갱이, 민어, 강달이의 경우, 25kHz에서 각각 -32.1dB, -37.7dB, -35.9dB, -29.3dB, -32.2dB, -32.0dB였고, 100kHz에서는 각각 -34.3dB, -44.2dB, -39.4dB, -34.5dB, -35.9dB, -35.6dB였다. 또, 50kHz에서 말쥐치, 민어, 노래미, 넙치에 대한 그 값은 각각 -37.2dB, -37.3dB, -31.9dB, -36.0dB였다. 한편, 어체의 평균반사강도의 추정정도는 자원량추정치의 신뢰도를 좌우하는 직접적인 요인이 되므로, 앞으로 이 문제에 대해서는 보다 체계적인 연구가 필요하다고 판단된다.

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Structural Behavior of Mixed $LiMn_2O_4-LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ Cathode in Li-ion Cells during Electrochemical Cycling

  • 윤원섭;이상우
    • 한국재료학회:학술대회논문집
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    • 한국재료학회 2011년도 춘계학술발표대회
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    • pp.5-5
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    • 2011
  • The research and development of hybrid electric vehicle (HEV), plug-in hybrid electric vehicle (PHEV) and electric vehicle (EV) are intensified due to the energy crisis and environmental concerns. In order to meet the challenging requirements of powering HEV, PHEV and EV, the current lithium battery technology needs to be significantly improved in terms of the cost, safety, power and energy density, as well as the calendar and cycle life. One new technology being developed is the utilization of composite cathode by mixing two different types of insertion compounds [e.g., spinel $LiMn_2O_4$ and layered $LiMO_2$ (M=Ni, Co, and Mn)]. Recently, some studies on mixing two different types of cathode materials to make a composite cathode have been reported, which were aimed at reducing cost and improving self-discharge. Numata et al. reported that when stored in a sealed can together with electrolyte at $80^{\circ}C$ for 10 days, the concentrations of both HF and $Mn^{2+}$ were lower in the can containing $LiMn_2O_4$ blended with $LiNi_{0.8}Co_{0.2}O_2$ than that containing $LiMn_2O_4$ only. That reports clearly showed that this blending technique can prevent the decline in capacity caused by cycling or storage at elevated temperatures. However, not much work has been reported on the charge-discharge characteristics and related structural phase transitions for these composite cathodes. In this presentation, we will report our in situ x-ray diffraction studies on this mixed composite cathode material during charge-discharge cycling. The mixed cathodes were incorporated into in situ XRD cells with a Li foil anode, a Celgard separator, and a 1M $LiPF_6$ electrolyte in a 1 : 1 EC : DMC solvent (LP 30 from EM Industries, Inc.). For in situ XRD cell, Mylar windows were used as has been described in detail elsewhere. All of these in situ XRD spectra were collected on beam line X18A at National Synchrotron Light Source (NSLS) at Brookhaven National Laboratory using two different detectors. One is a conventional scintillation detector with data collection at 0.02 degree in two theta angle for each step. The other is a wide angle position sensitive detector (PSD). The wavelengths used were 1.1950 ${\AA}$ for the scintillation detector and 0.9999 A for the PSD. The newly installed PSD at beam line X18A of NSLS can collect XRD patterns as short as a few minutes covering $90^{\circ}$ of two theta angles simultaneously with good signal to noise ratio. It significantly reduced the data collection time for each scan, giving us a great advantage in studying the phase transition in real time. The two theta angles of all the XRD spectra presented in this paper have been recalculated and converted to corresponding angles for ${\lambda}=1.54\;{\AA}$, which is the wavelength of conventional x-ray tube source with Cu-$k{\alpha}$ radiation, for easy comparison with data in other literatures. The structural changes of the composite cathode made by mixing spinel $LiMn_2O_4$ and layered $Li-Ni_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ in 1 : 1 wt% in both Li-half and Li-ion cells during charge/discharge are studied by in situ XRD. During the first charge up to ~5.2 V vs. $Li/Li^+$, the in situ XRD spectra for the composite cathode in the Li-half cell track the structural changes of each component. At the early stage of charge, the lithium extraction takes place in the $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component only. When the cell voltage reaches at ~4.0 V vs. $Li/Li^+$, lithium extraction from the spinel $LiMn_2O_4$ component starts and becomes the major contributor for the cell capacity due to the higher rate capability of $LiMn_2O_4$. When the voltage passed 4.3 V, the major structural changes are from the $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component, while the $LiMn_2O_4$ component is almost unchanged. In the Li-ion cell using a MCMB anode and a composite cathode cycled between 2.5 V and 4.2 V, the structural changes are dominated by the spinel $LiMn_2O_4$ component, with much less changes in the layered $LiNi_{1/3}Co_{1/3}Mn_{1/3}O_2$ component, comparing with the Li-half cell results. These results give us valuable information about the structural changes relating to the contributions of each individual component to the cell capacity at certain charge/discharge state, which are helpful in designing and optimizing the composite cathode using spinel- and layered-type materials for Li-ion battery research. More detailed discussion will be presented at the meeting.

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