○ MIT 현상규명연구는 ETRI-MIT 연구팀의 연구 결과의 확산을 위해 국제 공동연구를 강력하게 실시하 며, 특히 세계적으로 우수한 연구그룹과 공동연구로 수행할 예정임
- 소자 연구를 위한 리소그라피는 외부 혹은 내부의 타 연구팀의 장비를 공동연구를 통해 수행할 예정임 - MIT 응용기술 개발은 시장조사 결과를 활용하여, 시장에서 필요한 응용기술을 개발할 예정임
○ 레이더 핵심부품 개발연구는 ETRI 독자적으로 시스템규격 및 구조를 확보하며, RF송수신 부품과 신 호처리 플랫폼의 원천기술을 확보하고 학교와 기업과 연계하여 신호처리 알고리즘 및 시스템 플랫폼
을 개발 함
- 학교와 연계하여 아주 작은 RCS(radar cross section)을 지닌 소형무인이동체 탐지를 위한 신호처 리 선행연구 수행 함
- 레이더 전문기업과 연계하여 안테나와 시스템 고도화 기술 개발 함
○ ETRI 연구팀은 독자적으로 연구수행 하면서 서로 필요한 부분을 공유하는 방식으로 콜롬비아 대학과 국제공동계약을 체결하여 연구수행
○ 신개념 및 원천기술 개발은 ETRI 연구팀 단독으로 수행함
○ ETRI 연구팀에서 핵심부품 및 시스템 규격을 주관하며 전문기업에서 플랫폼 개발 및 일부 신호처리/
데이터 처리 핵심 알고리즘 개발 함
제 3 절 성과목표 및 성과지표
1. 성과목표가. 성과목표의 개요
○ 개 요
- MIT 현상 규명을 통해 물리학 물리문제인 고온촌전도 메카니즘을 규명하여 국위를 선양하고, 신개념 소자의 핵심원천기술을 확보하여 국부창출에 기여하려고 함
- 소형무인이동체를 전천후 탐지할 수 있는 안테나와 레이더 RF 송수신 칩 및 레이더 신호처리 플랫폼 의 핵심원천 기술 확보와 핵심부품의 국산화 및 민간 상용화를 위한 기술 개발
○ 설정근거
- MIT 연구팀의 오랜 연구를 통해 MIT 이론 개발 및 중요 물리문제를 집중하여 세계속에서 경쟁의 우위 를 확보하고 있음
나. 상위 목표와의 연계성
○ 경영성과계획서(전략목표 및 성과목표)와의 연계성
- 미래 새로운 연구분야인 MIT-양자 분야는 새로운 연구분야에서 신개념 도출과 기초원천 핵심기술은 ETRI 전략목표를 충족하고 있음
- 주요 기술 선진국은 위험물체 탐지 레이더 분야 투자 확대 등 국가 차원의 정책역량을 집중하고 있 고, 레이더 기술은 수출제한 품목으로 되어있어서 국내 레이더 기술의 글로벌 경쟁력 확보를 위해서 는 핵심 반도체 부품의 국산화가 절실히 요구 됨
- ETRI는 2016년 경영성과계획서를 통하여, 연구 전략 목표 중 하나로 ‘안전하고 스마트한 초연결 인 프라 구현’을 선언했으며, 세부 성과 목표 중 ‘공공 및 산업융합 IoT 서비스플랫폼’, ‘자율비행 무인항공기 등 다수/다종 무인이동체용 고신뢰성 무선통신 및 보안 SW 기술 개발 (중장기적 드론 탐 지기술 및 자율주행 무인차 기술개발 추진)’등의 기술 계획 반영 함
다. 기술개발 및 연구산출물 성과지표
2) 기술개발 성과지표 (‘18년도)
3) 연구산출물 성과지표 (총사업연도/’18년도)
제 4 절 추진일정 및 마일스톤 수행계획
<제2세부> 소형무인이동체 탐지위한 레이더 RF송수신 IP 및 신호처리 구조연구
2. 마일스톤 수행체계
마일스톤
번호 Milestone 명 수행기간
시작일 종료일 책임자
1 정온식 단독형 MIT 화재 감지기 2018.02.01 2018.11.30 김현탁 1.1 MIT 감지기 소방산업기술표준 특성평가 2018.02.01 2018.10.31 조성우 1.2 소방산업기술원 형식승인 인증성능시험 통과 2018.06.31 2018.11.30 정순규 2 MIT 센서 이용 연기 감지기 2018.02.01 2018.11.30 김현탁 2.1 소방산업기술표준 특성평가 2018.02.01 2018.10.31 김현탁 2.2 소방산업기술원 형식승인 인증성능시험 통과 2018.06.31 2018.11.30 정순규
마일스톤
번호 Milestone 명 수행기간
책임자
시작일 종료일
3 레퍼런스 레이더 플랫폼 2018.02.01 2018.11.30 구본태
3.1 레이더 RF 프론트엔트 시스템 개발 2018.02.01 2018.8.31 한선호 3.2 레이더 신호처리 플랫폼 개발 2018.06.31 2018.11.30 김덕환
4 레이더 IP 설계 2018.02.01 2018.11.30 구본태
4.1 레이더 RF IP 2018.02.01 2018.11.30 한선호
4.2 레이더 신호처리 알고리즘 IP 2018.02.01 2018.11.30 어익수
제 3 장 연구개발 추진 실적
- Nature Communications vol. 9, 3604 (2018) - 상 위 5% 논문
o MIT 연기 감지기
정 펌웨어 작성 Impurity induced MIT 연구
• Analysis of the diverging effective mass on in YaBa2Cu3O6+x for high-Tc mechanism and pairing symmetry (Int. J. of Modern Phys. B 32, No. 17, 1840031 (2018)) - 이 논문은 Mott MIT 연구와 Impurity-induced MIT와 그 응용이 포함 된 연구논문 (30년 이상 물리문제)
100%
• 강상관 초전도 메카니즘 (30년 이상 물리문제) Intrinsic electronic Raman spectrum and pairing symmetry in cuprate
superconductors (30년 이상 물리문제) :Results in Physics 저널에서 Review 중
100% frequencies, Nature Communications 9, 3604 (2018): 상위 5% 논문
100%
Highly repeatable nanoscale phase coexistence in vanadium dioxide films, Phys. Rev. B 97, 085146
(2018), 미국물리학회 최고논문 100%
<제 2 세부>
: 거리 분해능 = 1m : (PRI=250us, FMCW BW=150MHz, ADC
sampling clock=12.5MHz)
[결과물] FMCW generator IP core
o FMCW generator IP core 설계 및 제작
[결과물] FMCW generator IP core : 구조 – Fractional-N PLL 기반 FMCW
o RF Transmitter IP core (2x1 array) 설 계 및 제작
[결과물] RF Transmitter IP core
- Phase Shifter 2x2 array single chip - 4-채널 RX single chip
0.5km 이상의 드론 Detection 시험 완료 - 탐지각도시험(Azimuth: 90도 / Elevation:
45도) 완료
: RF 하드웨어 플랫폼과 신호처리 하드웨어 플랫폼의 연결 시험
: 필드 성능 시험 완료 (0.5km이상 거리 탐지 성능 확인)
제 2 절 주요 연구결과
1. MIT 기술가. MIT 현상규명
1) Mott MIT와 Impurity-Induced MIT연구
: Int. J. Modern Phys. B 32, 1840031 (2018) [요약]
금속의 자유전자들 사이에서 쿨롱 반발에너지가 매우 큰 금속을 강상관 금속이라고 하고 어떤 임계값을 넘으면 면 부도체 즉 절연체가 된다. 이 절연체를 모트 절연체라고 하며 이 현상을 설명하는 것이 응집물질 물리학의 오랜 물리문제이다. 그런데 30 년이상 물리문제인 고온 초전도 현상을 보이는 물질의 모체 물질은 모트 절연체로 알려져 왔고, 그 모트 절연체에 도핑, 압력, 온도를 가하면 모트 절연체에서 금속으로 전이(Metal-Insulator Transition: MIT)가 일어난다. 그 금속이 저온에서 고온 초전 도 현상을 보인다. 이 메카니즘을 설명하는 것이 30년 이상 미해결 문제이다.
작성자(김현탁)는 이 문제에 대해서 모트 MIT를 BR(Brinkman-Rice picture)픽쳐를 확장하여 Impurity-induced (Hole-driven) MIT를 발견하고 그것을 기반으로 30년 이상의 물리문제를 설명한다. 그것에 대한 Impurity-driven MIT를 간략하게 설명한다.
<그림 1> Drawing of Eq. (1) in the extended BR picture [1,2].
impurity doped insulator. The metal-insulator transition (MIT) is shown at red dot line between doped insulator and metal specifying excitation. nc º NcµDris the doping concentration for the MIT. The quantum critical point is given at the transition point.(c) The antiferromagnetic Mott insulator with the Mott gap of Ucis assumed at U/Uc=1 in the BR picture (Fig. 2c), as denoted by black dot in Fig. 2b. Fig. 2dshows a band structure of an impurity-doped Mott insulator (red dot in Fig.2b) with both the main Hubbard bands for direct transition and an impurity (or extrinsic semiconductor) band for indirect transition. UB – upper Hubbard band, LB – lower Hubbard band[40], EF–Fermilevel,Δdirect– energy gap for direct transition, Δact– activation energy for indirect transition, Ω – thermal phonon. Impurity concentration Ntot=Ncis proportional to Dr=Ntot/ntotintheEBRpicture,wherentotis the carrier density in the main Hubbard band. The IMT (or MIT) is indirect between Fig. 2dand Fig. 2e, which names the indirect Mott MIT [5]. For a strongly correlated insulator of VO2, the IMT criterion, Ntot=Nc,is 0.018% [4].
[1] H T Kim, Physica C 341-348 (2000) 259.
[2] H. T. Kim, http://arxiv.org/abs/cond-mat/0110112.
[3] H. T. Kim, B. G. Chae, D. H. Youn, S. L. Maeng, G. Kim, K. Y. Kang, Y. S. Lim, New J. Phys. 6 (2004) 52.
[4 M. Kang and S. W. Kim, J W Ryu, J. Appl. Phys. 118 (2015) 035105.
[5] H. T. Kim, M. Kim, A. Sohn, T. Slusar, G. Seo, H. Cheong, D W Kim, J. Phys.: Condens. Matter 28 (2016) 085602 (2016).
Impurity-driven Insulator-to-Metal Transition in VO2
How is a relation between impurities and the insulator-to-metal transition (IMT) explained in strongly correlated systems ? A representative strongly correlated Mott insulator VO2(3d1) has the direct gap (DdirectµVdirect) of 0.6 eV and the indirect gap (activation energy) of Dact/2µVindirect»0.15 eV coming from impurity indirect band (see Fig. 4c in [1]). At Tc, Ddirect=Dact=0 is satisfied and the IMT occurs. The metal carriers near core region can be trapped when the critical onsite Coulomb repulsion Ucbetween carriers exists; the metal become a Mott insulator. Then, a potential energy for the Mott insulator can be defined as
Vg=(Vdirect+Uc)+Vindirect,= -(2/3)EF(1 + e(Ntem(T)/ntot)) +Uc,
= -(2/3)EF(1 + e(Ntot/ntot) (1-exp(-Dact/kBT))) +Uc, --- (1)
where Vdirect= -(2/3)EFcomes from the screened Coulomb pseudopotential at K=0. Dr=Ntot/ntot»0.018% is defined as the critical impurity doping quantity [2], where ntotis the bound charge density in the direct d-band and Ntotis the bound charge density in the impurity indirect band (see Fig. 4c in [1]). Vindirect=-(2/3)EFe(Ntem(T)/ntot)is calculated by the Tayler-series expansion of the chemical potential μ when impurity carriers in metal exist, where Ntem(T)=Ntot(1-exp(-Dact/kBT)) is defined.
When Vg=0 at Eq. (1), Uc=-(Vdirect+Vindirect)is given.
Then, Uc= (2/3)EF(1 + e(Ntot/ntot) (1-exp(-Dact/kBT))),
= (2/3)C(ntot+Ntot)2/3(1 + e(Ntot/ntot) (1-exp(-Dact/kBT))) is expressed in terms of Ntot, where EF=C(ntot+Ntot)2/3isdefinedandCis a proportional constant.
At the IMT, since Dact=0is givenand Ntotis excited,
Uc=(2/3)C(ntot+Ntot)2/3is reduced as U=(2/3)C(ntot)2/3<Uc.
Then, the correlated Mott insulator becomes metal by the breakdown of Uc-->Uinduced by excitation of Ntotfrom bound state to conduction band. The IMT can be switched by the doping (excitation; Dact»0, Ntotgoes to conduction band, so Ntot=0) and the de-doping (de-excitation;Dact»0.15, Ntotis bound from conduction band to indirect band) of Dr=Ntot/ntotto the bound state, by applying external parameters such as heat, pressure, doping etc. The Mott insulator with the metallic electronic structure is formed by bounding the carriers of ntotin the metal state trapped by the impurity carrier density Ntot; this is an impurity-driven IMT and can be applied to all strongly correlated systems.
[1] Hyun-Tak Kim, Minjung Kim, Ahrum Sohn, Tetiana Slusar, Giwan Seo, Hyeonsik Cheongand Dong-Wook Kim, J.
Phys.:Condens. Matter 28 (2016) 085602.
[2] Hyun-Tak Kim, Byung-Gyu Chae, Doo-Hyeb Youn, Sung-Lyul Maeng, Gyungock Kim, Kwang-Yong Kang, Yong-Sik Lim,New J. Phys. 6 (2004) 52.
Diagram explaining the high-Tc mechanism for the formation of the node gap
The dx2-y2 electronic structure can be formed when the metal-insulator transition(MIT) occurs at the node in an isotropic pseudogap structure (bluedashedring). The small pink circles in the large pink circle are regarded as the nodal Fermi points made by the d-wave MIT near doping xc. The pink circle is the Fermi surface formed by increased doping. The red-dashed arrow indicates that bound charges in the pseudogap potential at the node are excited to the Fermi energy, due to the d-wave MIT (conceptual indication). The small green circles in the large green circle are superconducting intrinsic gaps at the node when the nodal Fermi points become a superconductor (pink circle -> green circle) [1,2]. The green ring is the isotropic superconducting s-wave-like gap resulting from the Fermi arc at optimal doping. If the superconducting energy gap has dx2-y2-wave-pairing symmetry, the d-wave-MIT should occur at the anti-node. However, this research does not support the d-wave pairing symmetry. The constant maximum carrier density at the nodal Fermi point (or velocity) was first disclosed [1].
<그림 2> A mechanism of the node gap formation
metal-insulator transition from the pseudogap insulator to metal at node.) [2] H. T. Kim, B. J. Kim, K. Y. Kang, Physica C460-462 (2007) 943.
2) Highly Repeatable Nanoscale Phase Coexistence in Vanadium Dioxide Films
(Phys. Rev. B 97, 085146 (2018)): ETRI-Wiliam & Marry U. 국제공동연구 [요약]
강상관 모트 절연체는 불균일한 것이 특징이다. 그런데 그 불균일한 물질로 소자를 만들면 재현성이 떨어질 수 있기 때문에 이 것이 문제가 되어 왔다. 모트 절연체 VO2 물질로 나노급으로 불균일성을 조사한 결과, 그 불균일한 정도는 나모급 정도로 작았 다. 또 소자를 만들어서 온도를 올리면서 MIT 현상을 일으키고 다시 온도를 낮추면서 측정한 결과 같은 나노급 이미지를 보여 주었다. 그래서 비록 나노급 불균일성이 있다고 해도 소자에서 재현성이 있음을 처음으로 밝혔다.
It is generally believed that in first-order phase transitions in materials with imperfections, the formation of phase domains must be affected to some extent by stochastic (probabilistic) processes. The stochasticity would lead to unreliable performance in nanoscale devices that have the potential to exploit the transformation of physical properties in a phase transition. Here we show that stochasticity at nanometer length scales is completely suppressed in the thermally driven metal-insulator transition (MIT) in sputtered vanadium dioxide (VO2) films. The nucleation and growth of domain patterns of metallic and insulating phases occur in a strikingly reproducible way. The completely deterministic nature of domain formation and growth in films with imperfections is a fundamental and unexpected finding about the kinetics of this material. Moreover, it opens the door for realizing reliable nanoscale devices based on the MIT in VO2 and similar phase-change materials
[본문 설명]
It is generally believed that in first-order phase transitions in materials with imperfections, the formation of phase domains must be affected to some extent by stochastic processes. The stochasticity would lead to unreliable performance in nanoscale devices that have the potential to exploit the transformation of physical properties in a phase transition. Here we show that stochasticity at nanometer length scales is completely suppressed in the thermally driven metal-insulator transition (MIT) in sputtered vanadium dioxide (VO2) films. The nucleation and growth of domain patterns of metallic and insulating phases occur in a strikingly reproducible way. The completely deterministic nature of domain formation and growth in films with imperfections is a fundamental and unexpected finding about the kinetics of this material. Moreover, it opens the door for realizing reliable nanoscale devices based on the MIT in VO2 and similar phase-change materials. To investigate the above mentioned, we image the patterns formed by coexisting metallic and insulating domains in the thermally driven MIT in a sputtered VO2 film using the technique of scattering-type scanning near-field infrared microscopy (S-SNIM). Fig. 6 shows the S-SNIM images obtained in the same spatial region on heating or cooling run through the phase coexistence regime of VO2 sample. It can be seen that the patterns are static and stable in time. Moreover, phase domains nucleate and grow reproducibly in separate thermal runs through the MIT. Deterministic factors that are “quenched,” or frozen into the film at the time of growth, alone dictate nucleation and domain patterns.