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Thermococcus onnurineus을 이용한 수소환원 제철법의 상용화 방안

Thermococcus onnurineus을 이용한수소환원 제철법의 상용화 방안Abstract : 우리나라 연간 철 생산량은 300만 톤 규모이며 세계적으로는 연간 100억 톤의 철이 생산이 되고 있다. 철강 생산 공정은 크게 제선, 제강, 주조 및 압연으로 나눌 수 있는데 이중 철광석(Fe2O3)에서 산소(O2)를 환원 시키는 제선 공정은 철강 생산에 있어서 가장 기본적이면서도 고품질의 철강을 생산하기 위해 핵심적인 공정인 동시에, 제철 공정의 CO2 배출량 중 91%를 배출하는 공정이기도 하다. 제선 공정에서는 철광석의 산소를 제거하기 위해 탄소(C)로 이루어진 무연탄이나 이를 소결시킨 cokes를 사용을 한다. 제선 공정 시 환원제에 함유된 탄소(C)와 철광석(Fe2O3)의 산소(O2)가 반응을 철강 1톤당 2톤의 이산화탄소(CO2)를 배출하게 되며, 이는 연간 우리나라 이산화탄소 배출량의 10%, 세계 산업 배출량의 15%를 차지한다. 이에 세계적으로 많은 환경단체와 정부들이 철강 회사에 CO2 배출량을 줄일 것을 지속적으로 요구하고 있다. 이에 더해 지난 몇 년간 급격하게 상승하고 있는 무연탄의 가격은 철강 산업에 있어서 해결해야할 또 하나의 중요한 과제이다. 이런 문제점에 대한 해결책으로 주목 받고 있는 것이 수소를 이용한 철광석의 환원법이다. 이 수소 환원법은 수소를 이용함으로 인해 온실가스인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는다는 것과 높은 가격의 무연탄 대신 수소를 사용함으로써 생산비를 혁신적으로 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 현재로서는 안정적이면서도 대량으로 수소를 생산할 수 있는 기술이 없기 때문에 상용화를 하지 못하고 있는 실정이다. 이로 인해 우리는 수소를 생성하는 고세균인 Thermococcus onnurineus NA1을 이용한 수소 대량생산의 가능성과 이를 철강 생산에 접목시킬 수 있는 방안을 논의해 보고자 한다.I. 서 론현재 지구의 육지는 포화 상태이다. 육지는 어디를 가던 인간들로 넘쳐나고, 인간들이 버린 쓰레기로 육지는 용성 물질의 분해(다환방향족화합물 및 스테로이드) 또는 광학분할에 대한 활용, 그리고 방선균을 이용한 항생제 생산 등이 그것이다. 이러한 관점에서 우리 조는 최근 철강 산업에서 가장 주목받고 있는 수소 환원법, 그 중에서도 가장 큰 문제인 안정적인 수소 공급에 대한 문제를 심해미생물인 NA1을 이용해 해결하는 방안을 제시해 보고자 한다. 우선 이 NA1은 무엇이며 NA1의 심해 환경에 알아보자.Ⅱ. NA1과 수소 발생 기작Ⅱ-1. NA1NA1은 적정 생육온도(80도), 적정 pH (7.0), 혐기적 조건에서 성장 하는 초고온성 고세균으로서 1650m 깊이 열수구 근처에서 서식한다. NA1은 파푸아뉴기니 해역의 열수구지대에서 우리나라의 해양조사선박인 온누리호에 의해서 처음 채취되었다.그림 1. Thermococcus onnurineus(NA1)열수구는 심해저의 화산활동 결과 튀어 올라온 바닥의 갈라진 틈으로부터 내부의 마그마에 의해 뜨거워진 바닷물이 분출되는 곳을 의미하며 2002년 '대양연구사업'을 통해 열수구 시료 채집에 성공하였다.그림 2. Thermococcus onnurineus(NA1)의 서식지인 열수구NA1의 발견 이후 많은 연구와 유전체분석결과 나왔으며 아래와 같은 성질을 나타낸다고 한다.구 분특 징수소화효소군다른 미생물의 2배(8개) 이상기질일산화탄소(CO), 전분, 개미산 등 다양한 기질(먹이)표 1. Thermococcus onnurineus(NA1)의 특징위와 같은 성질을 보유하고 있어 단위당 수소 추출량이 훨씬 클 뿐만이 아니라 을 이용하여 바이오수소를 생산을 할 수 있어 활용성이 매우 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 또한, 일산화탄소와 같은 환경오염물질을 먹이로 배양할 수 있어 제조공정에서 일산화탄소를 배출하는 기업에게도 일산화탄소 저감의 획기적인 방안을 제시해 줄 전망이다.Ⅱ-2. NA1의 수소 발생 기작단일 미생물이 개미산(formate)을 먹이로 이용하여 수소를 생성하는 동시에 생체에너지(ATP)를 만들어 증식하는 것이 가능하다. 이는 열 배출하지 않는 환경 친화적인 미래 대체 에너지원으로 각광 받고 있다. 또한 단위 중량당 높은 발열량을 가지고 있으며 산업용기초소재부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에서 이용이 가능하다. 하지만 현재 사용되는 수소생산 기술은 가수분해 과정에서 화석연료의 공급에 의지하고 입력에너지에 비해 낮은 수소생산량으로 경제성이 낮아 태양광, 풍력, 미생물을 이용한 수소생산 기술개발이 요구되고 있다. 이런 방법에 비해 NA1은 경제적이고 안정적인 수소공급그림 4. NA1의 개미산 이용한 에너지 생산모델이 가능한데 그 발생기작은 아래와 같다.NA1의 유전체 분석을 통해 개미산 (formate, HCOO-)을 먹이로 이용할 수 있는 관련 유전자군을 발견하였고 이 유전자군이 에너지를 생산하기에 충분한 조건을 갖추고 있다고 판단하여 구상한 개미산 이용을 통한 에너지 생산 모델은 아래와 같다. (그림 4 참조)? Formate transporter : 개미산을 밖으로부터 세포내로 이동시킴.? Fdh2(Formate-dehydrogenase) : 개미산으로부터 수소이온을 분리시켜 산화시킴(탈수소효소).? Mfh2(membrane formate hydrogenase) : 수소를 생산하고 수소이온을 밖으로 이동시킴.? Antiporter : 세포막을 가로질러 두 개의 서로 다른 이온을 반대방향으로 교차 이동시킴.? ATP synthase : ATP 합성 효소(에너지 생산).개미산을 먹이로 이용하여 에너지를 생산하는데 필요한 효소들은 세포막에 위치하며, 세포 밖의 개미산은 Formate transporter라는 세포막기구를 통해 세포안으로 진입한다.Fdh2라는 개미산 탈수소화효소에 의해 산화되면서 생성된 전자가 Mfh2라는 수소화효소에 전달되어 수소 생성하게 된다.(2H+ + 2e- ? H2)이때 Mfh2에 의해 수소 이온이 밖으로 이동되어 세포 안과 밖에 수소 이온 농도차가 발생하게 되고, Antiporter라는 이온전달기구에 의얻는 것이 열역학적으로 불가능하다고 생각되어 왔으며, 실제로 이 현상을 보여줄 수 있는 단일 생명체가 그동안 한 번도 보고된 적이 없었다. 하지만 우리 국내 연구진에 의해 이러한 새로운 생명현상이 단일 생명체인 극한미생물에서 일어난다는 것을 처음으로 보고되었고, 이론적으로도 이 반응이 가능하다는 것을 열역학적 분석으로 증명되었으므로 이제 이를 상용화시키면 이 보고서에서 초점을 두고 있는 수소 환원 제철법의 안정적인 수소 공급원으로 이용이 가능하리라 생각된다.Ⅲ. NA1을 이용한 수소 대량 생산Ⅲ-1. NA 대량생산 가능성기존 미생물들은 수소생성 후 증식이 불가능해 미생물을 활용한 수소에너지의 대량생산이 힘들었다. 그러나 NA1은 수소 생성을 하면서 증식이 가능해서 수소의 대량 생산이 가능하다. 앞에서 설명한 수소 생성 대사 메커니즘에서, 이 미생물에 개미산만 투여하면 증식이 빨라지면서 수소 생산이 크게 늘어난다는 것을 보았다. 그러나 개미산은 가격이 높은 단점이 있기 때문에 바이오 수소를 만들기 위해서는 개미산 보다는 버려지는 유기자원, 즉 일산화탄소나 유기성 폐자원을 활용할 수 있는 방안으로 찾는 것이 시급하다.Ⅲ-2. NA의 수소생산 효율성 및 경제성Thermococcus onnurineus의 유전체분석결과 지금까지 알려진 다른 미생물의 최소 2배인 8개의 수소화효소군(수소 생산하는 효소군)을 보유하고 있어 단위당 수소추출량이 훨씬 크다. 또한 일산화탄소, 전분, 개미산 등 다양한 기질(먹이)을 이용하여 바이오수소를 생산을 할 수 있어 활용성이 매우 뛰어나다.또한 Thermococcus onnurineus는 수소를 생산할 뿐만 아니라, 높은 단위 중량당 발열량을 가지고 있으며 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에서 이용이 가능하다. 그리고 이 분야에서 연구가 계속되어서 Thermococcus onnurineus이 경쟁력이 있는 에너지 생산원이 된다면, 이 기술을 다른 나라에 로열티를 받는 파급효과도 노려따른 수소 생산효율Ⅲ-3. 기질에 따른 경제성 분석1) 바이오매스(포도당)를 사용하는 경우Thermococcus onnurineus을 이용한 수소 제조가는 미생물을 이용한 다른 수소제조 방법에 비하여 비교적 낮은 가격인 수소 1kg 당 $2.4로 추정된다.2) 일산화탄소(CO)를 사용하는 경우Thermococcus onnurineus을 이용한 수소제조 단가는 수소 1kg당 $0.8로 분석되었으며, 다른 어떤 수소 생산 방법들보다 제조단가가 저렴한 것으로 Thermococcus onnurineus을 이용한 수소 생산을 할 때 경제성이 클 것으로 예상된다. 뿐만 아니라, 철강 생산 공정에서 배출되는 환경에 유해한 CO를 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있다.III-4. 생산적 측면에서의 수소 대량 생산 방안수소를 대량으로 생산하기 위해서는 여러 방법들이 있는데, 유전자조절 기작, 생산조건 최적화 등이 있다. NA1은 수소화 효소균을 보유 하고 있어서 이를 유전자 조절 기작을 통하여서 수소의 생산을 증가 시키는 방법들을 제시해 볼 수 있다. 그리고 최근에는 대사공학(metabolic engineering)을 통하여서, 생산 조건을 최적화 시켜서 효소의 수소 생산에 크게 도움을 주는 방법도 있다. 또한 계속적인 연구를 통한 Thermococcus onnurineus의 구조와 수소생산 메커니즘을 이해함을 통하여서 우리는 대량생산의 기틀을 마련할 수 있다.Thermococcus onnurineus는 기질(먹이)을 통하여서 수소를 생산하게 된다. 경제성과 생산성을 고려할 때 대량생산을 위한 기질들을 꼽아보면 일산화탄소와 개미산을 들 수 있다. 이러한 기질들을 사용을 통한 유전자조절기작 및 생산최적화 조건 등에 대한 추가, 후속 연구가 이어질 경우 향후 상용화도 가능할 것으로 전망되고 있다.Ⅳ. NA1을 활용한 수소환원 제철법Ⅳ-1. 철강 산업과 NA1앞서 언급했듯이 현재 철강 산업에 있어 가장 큰 쟁점은 무연탄 등의 가격상승으로 인한 원가 절감과 CO2등의 온실가스 배출 법이다.

공학/기술| 2011.07.18| 8페이지| 1,500원| 조회(324)

젖산, Thermococcus onnurin, 기작, NA1, 제철법, 수소환원, 수소발생

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몽고와 철강산업(영어프리젠테이션 자료)

Mongolia The fallen empire of steel waiting for the future revival SunKyu Park Senior The department of Material Science Engineering Hanyang UniversityMongol EmpireMongol Empire One of the largest empires in human history Genghis Khan united Mongolia and conquered the world!Mongol Empire How???? Steel Weapons Iron ore + CoalContents Introduction Main Body The introduction of Mongolia The current issue in steel industry The industrial opportunity and potential Conclusion1) The introduction of Mongolia A Land-locked country Capital : Ulaanbaatar Population : 2,996,081 GDP per person : ＄ 1,560 Mining : 2 nd largest industry But! No steel factoriesWhy? ■No technology in steel making ■From 1924 to 1990 Mongolian Peoples Republic(Communist country) 1) The introduction of MongoliaSteel making process What we need?? Iron ore Coal 2) The recent trend in Steel IndustryThe rapid rise in iron ore Coal prices http://www.keei.re.kr/main.nsf/index.html 2) The recent trend in Steel IndustryDeterioration of the quality of raw materials Iron Ore : 60~80 T. Fe% = 30~40 T. Fe% Coal : 70~80 Coking % = 20~30 Coking % 2) The recent trend in Steel IndustryBut!! Technological Advance! Now!! We can use poor raw materials! 2) The recent trend in Steel Industry(1) Large amount of raw material reserves -The reserve of iron ore (Fe2O3) : 10 th -The reserve of iron ore (Fe3O4) : 4 th -The reserve of coal : 10 th 3 ) Industrial Opportunity and Potential(2) Location -Close to China and Russia : Huge markets for steel products 3) Industrial Opportunity and Potential■ Since 1995, the severe economic recession ■ Opened its markets to foreign investors ■ Investment-inducing policies - investment credit and reduction in taxes 3) Industrial Opportunity and Potential (3) Governmental policyConclusion Large amount of raw material reserves Location Governmental policy (4) Current issues in the steel industry Mongolia is the perfect place to Invest for the steel industry!!!!!Conclusion “The present is a key to the past. ( Professor Yang, Kyungbuk University) “The past is a key to the present.” Thank You!{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2011.06.29| 16페이지| 1,000원| 조회(152)

철강산업, 몽고, 영어프리젠테이션, 현안문제, 몽고산업

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제일원리의 이해와 그 계산물리적 한계

# 제일원리.역학, 전자기학, 양자역학적 법칙들로 인해 자연 현상을 설명할 수 있는 기본원리와 법칙을 밝혀낼 수 있다. 그러나 문제가 복잡해지는 경우에는 단순한 몇 가지 기본원리나 법칙만으로 그 문제를 해결할 수 없다. 어떤 물리계는 원리적으로 간단한 것으로 보이지만, 그 결과를 예측하기 불가능한 경우도 있고, 기본원리나 법칙이 알려져 있어 원리를 이해할 수는 있지만 변수가 너무 많아서 정량적인 분석이 불가능한 경우도 있다. 또한, 계들이 모일 때 복잡한 물질의 물성을 연구하기 위해서는 전통적인 해석학적인 방법들보다는 새로운 차원의 원리와 분석방법이 필요하다. 새로운 방법을 끌어내기 위해서는 물질은 원자들의 화학결합으로 이루어져 있기 때문에 이런 상호작용들을 양자역학적인 원리로 풀어내야 한다. 이것이 바로 제일원리이며 양자역학으로 물질의 화학적, 기계적, 전자자적, 자기적, 광학적, 열적특성을 예측하는 것이다.고체는 많은 원자로 구성되어 있기 때문에 매우 복잡한 성질을 가지고 있다. 어떤 물질은 원자가 규칙적인 모양으로 배열되어 정렬되어 있는 것도 있고, 랜덤하게 되어 있는 비결정성 물질도 있다. 이렇게 고체의 성질은 그 구조가 다양한 만큼 다양한 성질을 가지고 있다. 고체의 속성은 그 구성원소인 원자의 양자적 성질과 응집된 상태의 원자들의 집단적 성질로부터 결정된다. 따라서 대부분의 물성을 이해하기 위해서는 고체를 구성하는 전자와 원자핵의 양자적인 성질을 이해하는 것이 필요하다. 그러나 전자의 수가 너무 많아지면 컴퓨터의 용량이나 계산시간의 한계 때문에 고체의 성질을 다체 전자계에 대한 양자역학적인 슈뢰딩거방정식을 푸는 방법만으로는 한계가 있다. 이때 실제 상황보다는 작은 계를 구성하여, 몇 개의 원자로 구성되어있다고 가정하고 물리적인 근사법을 이용하여 계산하여야 한다.# DFT(Density Functional Theory)첫 번째로 1998년 호헨버그와 콘이 제시한 DFT(Density Functional Theory)방법이다. 이 이론은 많은 수의 전자를 하나의 전자와 같이 생각함으로서 많은 수의 전자가 가지는 모든 양자역학적인 현상(Paul's exclusion principle and electron correlation)을 하나로 묶음으로서 가능해진다. 양자역학적인 법칙에 따라 기술되는 다체 전자계의 전체에너지는 각 전자의 궤적 또는 파동함수를 모르더라도 공간의 각 점에 주어지는 전자밀도만으로 유일하게 정해질 수 있다. 다체 전자계의 바닥상태의 밀도만 알면 충분하다는 것이고, 그 전자계의 다른 성질들도 그 전자 밀도에 의해 결정될 수 있다는 것이다. 이 원리는 고체의 성질을 재료역학적인 입장에서 이해하기 위해 거시적인 현상을 설명하는 모델과 미시적인 구성원소의 성질, 또는 물성을 결정하는 메커니즘 간의 연결해주는 다리 역할을 한다.그러나 파동함수에서 밀도범함수로의 전환하는 아이디어는 전체에너지의 밀도범함수 꼴을 정확하게 알 수 없을 뿐만 아니라 구체적으로 전자밀도함수의 운동방정식이 빠져있기 때문에 실용적이지 못했다. 대안책으로 실제적인 상호작용을 하는 전자계의 에너지 범함수를 가상의 자유입자의 전자밀고로 표현하는 것으로 전자밀도와 에너지를 동시에 구할 수 있는 방법을 내놓았다. 즉, 물질에 따라 전자밀도가 다르다 하더라도, 이 범함수는 쿨롱상호작용을 하는 전자계에서는 유일하게 주어지기 때문에 전체에너지와 전자밀도의 범함수 관계를 이용하여 실제계산을 한다. 따라서 실제 전자의 밀도함수와 가상의 자유입자의 밀도함수가 같기만 하면, 구해진 밀도함수가 실제전자의 밀도함수이거나 가상의 자유입자의 밀도함수인 것에 상관없이 일정한 범함수에 의해 결정되는 전체에너지는 같아지게 된다.# Pseudopotential두 번째 방법은 슈도포텐셜(pseudopotential)을 이용하는 것이다. 이 원리는 원자핵 근처의 전자들은 화학적으로 안정하기 때문에 기존의 퍼텐셜보다는 원자가 전자가에 대해 새로운 퍼텐셜을 설정해줌으로서 계산해야할 전자의 수가 줄어들게 되고 이때의 퍼텐셜을 슈도퍼텐셜이라고 한다.이때 평면파를 사용해 행렬계산을 하게 되면 실공간과 푸리에(Fourier)공간의 변환이 매우 효율적으로 이루어지기 때문에 컴퓨터 연산시간을 크게 단축할 수 있을 뿐만 아니라 매우 큰 행렬의 계산도 가능하다.물리적으로는 슈도퍼텐셜과 평면파를 사용하는 방법은 탄소, 규소 등의 원소가 주를 이루는 반도체와 그 화합물의 물성 연구에 많이 활용되고 있다. 반도체에서 외각전자들이 서로 강한 공유결합을 하고 있어 원자들 사이에 퍼져 있어 마치 자유전자와 같이 행동하게 된다. 이 외각 전자는 반도체의 물리적 성질을 결정하므로 물질의 성질을 파악하는데 있어서 중요하며 슈도퍼텐셜과 평면파를 기저함수로 사용하는 계산기술을 적용하여 풀어낼 수 있다. 그러나 외각전자가 아닌 원자주위의 전자가 물질의 성질을 결정한다면 이 방법이외에 APW(augmented-plane-wave) 방법을 쓰는 것이 적절하다. APW방법은 원자핵 주위에 가까워지게 되면 전자의 파동함수는 원자 자체의 파동함수와 비슷해지고, 핵에서 멀어지게 되면 전자의 파동함수는 자유전자처럼 평면파의 파동함수를 갖게 된다는 것을 이용한다. 원자 주위에 일정 반지름의 구를 정하고 구의 내부에서는 원자의 파동함수 형태의 집합을 이루고, 구의 밖에서는 평면파 형태의 함수를 이용한 완전 집합을 구성하여 공간의 위치에 따라 서로 다르게 표현되는 기저함수를 표현했다.

공학/기술| 2009.11.03| 3페이지| 1,000원| 조회(196)

dft, 재료공학실험, 제일원리, First law, Density Functi..

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자성재료 실험

VSM의 작동 원리 및 측정방법1. VSM의 작동 원리1) VSM의 기본원리VSM은 Hall probe에 의해서 가한 인가 자장을 기록하고 시료의 자화 값은 패러데이 법칙에 의해서 시료에 진동을 가할 때 얻어지는 기전력을 기록하여 시료의 자화 값을 측정한다.패러데이(Faraday)법칙은 만약 막대자석의 N극을 코일 쪽으로 향하게 하여 코일 쪽으로 밀면 검류계가 움직이며 코일에 전류가 흐름을 알 수 있다. 이러한 결과로 나타나는 전류를 유도전류라 하고 유도기전력에 의해 만들어 졌다고 한다.VSM은 이러한 기본 작동 원리에 의하여 시료에 진동을 가할 시 발생하는 유도기전력을 search coil에서 검출하여 이 기전력에 의해 시료의 자화 값을 측정하는 방법이다.재료의 자기적 특성을 자기장, 온도, 시간의 함수로 간단히 측정할 수 있으며, 최대 2테슬라의 자력과 2 K to 1273K 온도범위의 빠른 측정이 가능하다. 또한 모든 형태의 시료(power, solid, thinfilms, single crystals, liquids, etc)를 측정할 수 있다.2) VSM의 작동원리자성체에 magnetic field를 가하면 물질 속에 있는 원자의 magnetic moment에 영향을 주어 magnetization을 일으킨다. magnetic field H내에서 magnetic moment m을 갖는 자성에 주위에 pick-up coil을 놓으면 magnetic flux는 pick-up coil을 통과하게 되고 이때 자성체를 진동시키면 pick-up coil을 통과하는 자속의 변화가 발생 이러한 자속 변화에 의해 (Faraday's law에 의하여) pick-up coil에 기전력(e)이 유도(가정)-시편의 진동폭< 시편과 pick-up coil사이의 거리-시편의 크기 : very small magnetic moment m이 한 점에서만 존재한다면 -> Magnetic Dipole Moment와 같다고 할 수 있음-시편이 일정한 frequency와 amplitude로 sinusoidal function(정현파 함수)으로 진동한다면 pick-up coil에 유기되는 기전력은 pick-up coil을 지나는 자속의 변화로 나타낼 수 있음e = kmfA다시 말해서, 전자석과 진동 장치를 이용하여 자성물질의 Hysteresis Properties를 측정, 전자석과 자성물질에 의하여 발생된 waveform이 진동 장치로 전달되어 아날로그-디지털 전환기를 거쳐 신호가 증폭되어 측정하는 것이다.VSM은 다양한 시편을 측정할 수 있는 장점이 있으나 시편의 기하학적인 형상에 따른 demagnetizing effect에 의하여 측정값이 영향을 받는 단점이 있다.3) 측정 가능 Data:Hysteresis loop:coercivity:remanence:Saturation Magnetization2. VSM의 측정 방법1. 냉각수를 켠다.(chiller로 우선 냉각한다.)2. VSM 전원을 켜고 프로그램(Lakeshore VSM software )을 실행한다.2. control mode를 FIELD 에서 CURRENT로 바꿔준다.3. Power Suplly를 켜고 control mode를 CURRENT에서 다시 FIELD로 바꿔준다.5. 실험 조건을 설정해 준다.4. 시료를 장착한다. 시료는 양면테이프를 이용하여 holder에 고정한다. 시편을 장착할 때 옆에 부딪히지 않게 조심해야 한다.6. Vibration on 시키고 Start 한다.7. 실험이 다 끝나고 초록색의 [Experiment running]표시가 꺼지고 나면 HEAD OFF 해야 한다.(반드시 확인)8. Hysteresis를 그리고 자성특성을 분석한다.자성재료의 종류와 특성1)강자성(ferromagnetism)외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 성질을 가리킨다. 물질을 이루는 전자의 스핀이 모두 같은 방향으로 정렬되어 있기 때문에 생기는 것으로 외부 자기장을 이용해 전자의 스핀을 바꾸면 자성이 사라지거나 재배치된다.강자성은 unpaired spin과 exchange interaction에 의해서 나타나는 성질로 전자의 스핀이 저온에서 같은 방향으로 정렬되어 있다.(이때의 free energy가 최소가 된다.) 강자성을 띤 물질은 그 물질의 퀴리온도라 하는 특정온도 이상이 되면 나란한 배열에 의해 free energy를 낮추는 것 보다는 무질서도에 의해 free energy를 낮추는 것이 유리해지기 때문에 강자성이 사라지고 상자성이 나타난다. 흔히 강자성물질임에도 불구하고 자성이 겉으로 나타나지 않는 경우가 있는데, 그것은 내부에 자기구역이 생겨서 각각의 구역은 강자성을 띠지만 구역마다 자기모멘트가 서로 다른 방향으로 정렬되어서 전체적으로는 상쇄되기 때문이다. 여기에 외부자기장을 가하면 자기구역을 정렬시킬 수 있어서 자성을 나타나게 할 수 있다. 이 경우에 자기장을 제거시켜도 다시 원래의 자기구역 구조로 되돌아가지는 못하는데, 이와 같이 자기장을 가하거나 제거시킴에 따라 자기구역 구조가 변하여 자성이 달라지는 현상을 자기이력이라 한다. 강자성이 나타나는 물질로는 철, 코발트, 니켈, 또는 디스프로슘, 가돌리니움 등이 있다.2)상자성(paramagnetism)열운동 등에 의한 불규칙적인 스핀의 방향 분포 때문에 스핀 배열이 없고, 자화를 나타내지 않는 상태를 가리킨다. 주위에 자기장이 존재하면 그 방향으로 약하게 자화되며, 이 때 퀴리의 법칙에 따라 자화율이 온도에 반비례한다.상자성은 free electron이나 unpaired bound electron에 의해 나타난다. 자기장을 걸면 그 방향으로 magnetic dipole들이 그 방향으로 독립적으로 정렬하고 근접한 dipoles와는 상호작용을 하지 않아 약하게 자화한다. 전이금속·희토류금속 원소의 자성원자 등에서는 브리유앵함수에 따르는 자화의 자기장 의존성을 보인다. 강자성체(ferromagnetism)·반강자성체(antiferromagnetism)·준강자성체(ferrimagnetism) 등 스핀의 자발적인 배열을 보이는 물질이라도 자기전이 온도보다 높은 온도에서는 배열에 의해 free energy를 낮추는 것 보다는 무질서도에 의해 free energy를 낮추는 것이 유리해져서 상자성을 나타낸다. 일반적으로 상자성 물질은 퀴리의 법칙에 따라 자화율이 온도에 반비례하지만, 금속 내의 자유전자는 페르미-디랙통계의 특징으로서 거의 의존성을 보이지 않는 파울리상자성을 보인다. 알루미늄, 나트륨, 티타늄, 텅스텐 등이 상자성에 속하는 물질이다.3)반자성(diamagnetism)물질에 자기장을 작용시킬 때, 자화의 방향이 자기장의 방향과 반대로 생기는 현상을 말한다. 반자성이 생기는 이유는 원자핵 주위를 도는 전자가 전류를 만들기 때문이다. 원자에 외부자기장이 가해져 자기장이 변화하면 전자의 전류가 흐르는 속도가 달라지면서 유도기전력이 생기고, 유도기전력은 외부 자기장에 의한 효과를 상쇄하는 방향으로 작용하기 때문이다.

공학/기술| 2009.11.02| 5페이지| 1,000원| 조회(408)

자성재료, 재료공학실험, VSM, 페러데이 법칙, Faraday, 강자성, 반자성, 상자성

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레이저의 발진원리 / 조건과 특성 평가B괜찮아요

Laser란?한마디로 보조를 맞춘 광파를 발생시키는 방법으로, LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 약자로 짧게 우리나라 말로 해석한다면, 전자기파를 증폭하거나 발진하는 장치이다. 레이저의 원어는 유도방출에 의한 광증폭이다. 들뜬 상태에 있는 원자·물질의 유도복사성질을 이용하여 광자파를 발생시키는 장치이다. 서브밀리미터파로부터 진공자외광 영역에 이르는 파장범위의 것을 레이저라 하며, 밀리미터파보다 장파장인 것은 따로 메이저라 한다.레이저광의 특성① 간섭성(coherence)이 우수하다. 일반적인 빛의 간섭 가능한 거리가 수십㎝인 데 비해 훨씬 멀리 떨어져도 간섭한다.② 지향성이 좋다. 회절한계로 정해지는 좁은 폭으로 직진한다.③ 단색성 즉 스펙트럼 순도가 매우 좋다. 매우 좁은 스펙트럼폭 속에 많은 수의 광자가 집중되어 있다. 따라서④ 휘도 온도가 매우 높다. 태양표면의 휘도온도 6000K보다 훨씬 높은 온도이다.⑤ 렌즈로 집광하면 단위넓이당 통과하는 광에너지가 매우 크다. 특히 펄스레이저광인 경우는 peak 광의 출력이 크고 막대한 값으로 된다. 그 결과 광의 전기장 세기(자기장의 세기도 포함)가 매우 커져 10^8V/m 정도의 값에 쉽게 도달한다.⑥ 특별한 경우 10^-12sec 정도로 극히 짧은 시간폭의 광펄스를 얻을 수도 있다.레이저의 종류파장영역에 따라 자외레이저 · 가시레이저 · 적외레이저 · 원적외레이저가 있다. 동작매질에 관해서는 기체 · 고체 · 액체 · 반도체 레이저가 있다.(1) 기체레이저동작물질로서 중성원자·전리원자·분자를 사용한 것이다.(2) 고체레이저전이금속·희토류원소이온을 균일한 좋은 결정 또는 유리에 녹인 것이나 발광중심을 함유한 결정이 이용된다. 크롬이온을 사파이어결정에 혼입시킨 루비레이저(파장 694nm), 네오디뮴이온을 이트륨·알루미늄·가닛(석류석)결정 또는 유리에 각각 넣은 Nd-YAG레이저(파장 1.06㎛), 유리레이저(파장 1.05㎛)가 대표적이광학펌핑으로 들뜨게 하고, 공진기 안에 넣은 파장선택소자에 의해 레이저파장을 연속적으로 바꿀 수 있으므로 널리 이용된다.(4) 반도체레이저직접 전이형인 비소화갈륨(GaAs;파장 830∼900nm) 등 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅳ-Ⅵ족 화합물반도체의 결정과 이들의 3원소합금(GaAlAs;파장 630∼900nm)이나 4원소합금(InGaAsP;파장1∼2㎛) 등이 이용되며, 조성비에 따라서 발진파장을 선택할 수가 있다. 반도체레이저는 가격이 싸고 소형이기 때문에 기기에 장치하기가 쉬워 널리 사용된다.레이저 발진의 원리본격적인 레이저 발진의 원리를 보기 전에 빛의 생성과 소멸의 원리를 살펴보자.빛의 생성이제 빛이 어떻게 발생하는가를 살펴보자. 전자는 핵 주위를 돌 때 아무 곳에서나 있을 수 있는 것이 아니고 특별히 안정된 궤도가 있어서 전자는 그 궤도에서만 존재할 수 있으며 어떤 궤도에서 핵에 더 가까운 궤도로 전자가 떨어지면 전자의 에너지가 줄어드는데 줄어든 에너지양만큼 빛으로 방출된다.(그림1) 특정궤도에서만 안정적으로 존재할 수 있는 전자는 음전기를 띠고 있으므로 양전기의 핵으로부터 항상 인력을 받고 있다.[그림 1. 빛의 생성]인력을 받고 있다고 해서 가까운 궤도로 마음대로 떨어질 수 없는데 그 이유는 각 궤도마다 전자가 있을 수 있는 수가 제한되어 있기 때문이다. 이것을 파울리(Pauli) 배타율이라고 하며 핵 가까운 궤도가 채워져 있을 때는 아래 궤도로 전자가 떨어질 수 없고 제한된 수보다 전자가 적어 자리가 비워져 있을 때만 전자가 떨어질 수 있다. 떨어질 때는 앞에서 보았듯이 빛이 발생된다. 이때 빛의 에너지는 E=hv 이다. 이 과정에서 빛이 발생하는 것을 자발방출( spontaneous emission) 이라고 하고 레이저 빛이 아닌 모든 빛은 이 과정에 의한 것이다. 자발방출에서는 이웃한 원자( 또는 분자 )끼리 아무런 영향이 없이 독자적으로 빛을 방출함으로 이 때 발생하는 빛은 위상이 제각기 다르게 된다.빛의 소멸핵으로부터 먼 궤도에서 가까운 궤도로 떨어질 때 받아 먼 궤도로 뛰어 오른다. 이 과정을 흡수(absorption)라 하고 빛은 에너지를 전자에게 전달하고 소멸하게 되는 것이다.(그림 2)[그림 2. 빛의 생성]흡수로 소멸된 빛에너지는 전자가 원위치하면서 또 다시 빛은 발할 수도 있고, 전자를 원자로부터 완전히 떼어 내거나 또는 분자로부터 원자를 분리시키는 등 화학적 변화를 가져오게 할 수 있으며 어떤 경우는 원자(분자)의 운동에너지로 전환되기도 한다.빛이 소멸되어 원자(또는 분자)의 운동에너지가 되는 경우는 빛의 에너지가 가시광의 것보다 작은 경우인 적외선으로써 원자(또는 분자)의 운동에저지 증가는 바로 온도상승을 의미하므로 이 적외선을 흔히 열선이라 부르게 된다.유도방출과 빛의 증폭레이저는 유도 방출 과정으로 증폭된 독특한 성질을 가진 빛이다. 그러면 유도 방출 과정이란 무엇인가?전자가 높은 궤도에 있고 아래궤도 중에는 전자가 채워져 있지 않아서 떨어질 수 있는 상황에서, 아래 궤도와 위 궤도와의 에너지차에 해당하는 빛이 입사하면 전자가 이 빛의 자극으로 아래 궤도에 떨어지는데 이때 생성되는 빛은 입사하는 빛과 같은 방향과 같은 위상을 갖게 된다. 이 과정은 빛이 하나가 입사했는데 동일한 성질의 빛이 두개가 되므로 2배 증폭되었다고 말 할 수 있다. 이것이 바로 유도방출이다(그림 3).[그림 3. 빛의 유도방출과정]이 과정에서는 저절로 떨어지는 자발방출과는 달리 반드시 빛이 입사해야만 가능하고 이 과정이 반복해서 일어나게 되면 점점 증폭되어 빛의 세기가 강해진다. 만약 전자가 아래 궤도에 있다면 흡수 과정이 생기어 빛의 세기가 약화될 것이므로 전체적으로 빛의 증폭이 일어나기 위해서는 아래 궤도에 전자가 있는 원자 수(또는 밀도)보다 위 궤도전자가 있는 원자수(또는 밀도)가 많아야 한다(그림 4). 이것을 우리는 밀도반전 (population inversion)이라 하고 레이저 발진에 필수적 요건이다.밀도반전[그림 3. 열적평형 상태에서의 밀도(a)와 밀도반전이된 상태에서 (b)의 에너지와의 관계]일반적으가 높은 궤도에 있는 원자수(밀도)보다 적을 수 없다. 즉 자연 상태에서는 낮은 에너지의 원자수가 높은 에너지의 원 자수보다 항상 많은 것이다. 따라서 밀도 반전이 일어나서 빛이 증폭되려면 우리가 인위적으로 밀도 반전 조건을 만들어 주지 않으면 안 된다. 이 조건 중 위쪽의 궤도에 전자가 많도록 외부에서 에너지를 가하는 것을 펌핑(pumping)이라고 한다. 펌핑하는 장치가 펌프이고 밀도반전이 된 원자로 채워진 물체가 레이저의 중요 구성 요소의 하나인 증폭기 또는 활성 매질(active medium)이라고도 한다. 빛의 길이가 L 인 어떤 매질(증폭이 되지 않은)을 진행할 때를 생각해보자. (그림 5) 매질에 입사하는 광자 수를 Fi 라 하고 통과 후의 광자수를 Fo 라 할 때 증폭 안 된 매질에서는 흡수가 일어나서 Fo 는 Fi 보다 작은 값을 갖는다. Beer의 법칙에 의하면 Fo 와 Fi 의 값은 아래식과 같은 관계를 갖는다.[그림 5. 매질통과 후 빛의 세기의 변화]Fo = Fi exp(-aL)여기서 a 는 Absorption coefficient이다. 만약 펌프의 에너지 공급에 의해 매질이 밀도반전이 되어 있다면 흡수가 아니라 증폭될 것이므로 값이 음수가 되고 Fo 는 Fi 보다 큰 값을 가질 것이다. -a 를 a'라 한다면,Fo = Fi exp(a'L)로 주어질 것이다. 즉 빛은 매질을 통과한 후 세기가 증가할 것이다. a'을 광이득계수(Optical gain coeffcient)라 한다.레이저의 발진조건레이저 공진기에는 두 가지의 손실이 있다. 첫째는 공진기 내의 출력 빛이 공진기를 빠져 나오는 유용한 손실과, 둘째 유용하지 않으나 피할 수 없는 내부손실이 있다. 먼저 유용한 손실에 관하여 자세히 살펴보도록 하자. 100개의 광자가 투과율이 T인 반사경에 입사하는 경우를 가정하자. 만약 R이 0.9라면 10개의 광자는 투과할 것이고 90개는 반사될 것이다. 즉, Fi 개가 거울에 입사할 때 반사한 개수 Fr을 수식으로 표시하면,Fi = R Fr가 는 이물질에 의해 광자가 흡수되거나 산란되어 광자수가 줄어들어 일어나는 손실과 증폭기 또는 공진기, 즉 반사경의 크기가 유한하기 때문에 발생하게 되는 회절에 의한 손실이 있다. 이러한 내부손실은 비교적 적기 때문에 무시하고 생각하자. 이제 R1, R2 의 투과율의 공진기와 이득계수가 a'인 레이저 장치에 있어서 레이저가 발진할 수 있는 조건을 살펴보자.[그림 6. 공지기와 공진기내에서의 빛의 왕복]일반적으로 공진기는 2개의 반사형으로 구성된 Fabry-Perot 간섭계가 사용된다. 이것은 레이저매질을 중심으로 양끝에 반사경을 부착시킨 것으로, 평면형과 구면형이 있으며, 보통 구면형의 거울은 반사율이 크기 때문에 고반사거울이라 부르며, 출력 측의 거울은 출력결합거울(Output Coupler)이라 부른다.100개의 광자가 반사경 M1을 출발하여 증폭기를 지나고 M2에서 반사하여 다시 증폭기를 역방향으로 진행하여 M1에서 반사되어 제자리에 되돌아오는 왕복과정에서 손실과 증폭의 여러 과정을 거치면서 최종적으로는 최초에 광자수인 적어도 100개 이상의 광자가 있어야만 한다.(그림6)이것을 발진조건 (Oscillation condition)이라 한다. 만약 100개 이하라면 반복해서 빛이 왕복할 때 결국 소멸하고 말 것이다. 발진조건을 수식으로 표현해 보자. F1 개의 광자가 M1을 출발하여 M2에 도달할 때의 광자수는F2 = F1 exp(a'L)이다. M2에서 반사된 후의 광자수는F3 =F2 R2가 되고 증폭기를 거쳐 M1에 도달할 때의 광자수는F4 =F3 exp(a'L)일 것이며 M1에서 반사 후에는 최종적으로F5=R1 F4이 F5가 F1보다 커야 하므로F1 R1 R2 exp(2a'L) > F1즉,R2 R2 exp(2a'L) > 1이 만족되어야 레이저가 발진된다.이 식을 잘 살펴보면 레이저가 쉽게 발진될 수 있는 방법을 알 수 있는데 두 반사경의 반사율 R1과 R2가 결정되어 있을 때 발진되기 위해서는 증폭기의 길이 L이 긴 것이 유리하나 현실적인 제한이 있으므로 법이다.

공학/기술| 2009.11.02| 7페이지| 1,500원| 조회(874)

레이저, LED, laser, Oscillation, recombination, 발진원리

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