Enhancement of TMD FET performance according to 2H-MoS2 monolayer structure

83 제6회 EDISON SW 활용 경진대회

유전자 알고리즘을 이용한 강관 아치교 형상 최적화

(Optimization of Steel Arch Bridge Utilizing Genetic Algorithm)

토목공학과, 연세대학교, 서울특별시 서대문구 연세로 50 E-mail: [email protected], [email protected]

초록 : 실제로 설계되고 시공된 교량을 통한 간단한 모델링 과정을 거쳐

강관의 단면, 아치의 높이를 설계 변수로 설정하여 최적화를 진행하였다. This study is based on the real structure which is installed earlier in the field. The model is simplified, and thereafter, optimization process was done with a variation of cross-section and rise of the arch model.

1. 서론 원형 강관은 단면 특성상 역학적으로 많은 장점을 가지고 있지만 교량 구조물에의 적용은 그다지 활발하지 않았다. 하지만 최근 가공 및 용접 기술의 발달로 인해 강관의 제작과 접합 이 비교적 용이해짐에 따라 강관 구조물의 채 용이 증가하는 추세이며, 아치교에 대한 적용 이 가장 활발하게 진행되고 있다 [1]. 실제 교 량 설계에 있어서는 구조적 안정성 및 경제성 뿐만 아니라 경관성 그리고 기술적 차별화 등 다양한 인자가 고려되지만, 본 논문에서는 구 조적 안정성을 고려한 아치의 형상 및 단면의 최적화를 수행하고자 한다. 구조물의 최적 설계는 설계될 구조물의 특 성에 따라 설계 변수의 선택이 중요한 요소가 된다. 일반적으로 구조물의 설계는 경제적인 측면에서 규격화된 부재를 사용하는 것이 현실 적으로 타당하다. 규격화된 부재는 대량생산이 가능하여 경제성과 편의성을 가지는 가지는 이 점이 있다. 특히 최근에는 구조물의 대형화에 따라 구조물 설계 시에 설계 변수의 증가가 예 상되며, 이 경우 연속 변수를 사용하여 최적 설계 시에는 많은 어려움이 따른다. 이러한 이 유로 구조물 최적 설계는 경제적인 면을 고려 하여 규격부재를 사용하여 설계하는 것이 바람 직하기에 상용화되고 있는 여러 단면 그리고 아치의 높이를 설계 변수로 두고 최적화 과정 을 수행하였다. 1.1 참고 교량 개요 간단한 모델링을 위해서 참고한 교량은 국 도 35호선과 7호선을 연결하는 양산-동면간 도로상에 위치하는 교량으로서 북부천을 횡단 한다. 산악 및 계곡지역으로 인해 가성장비가 진입하기 어렵다는 시공성 측면, 고소교량임을 감안한 유지 관리성 측면, 랜드마크적 시공성 이 양호하다는 점을 고려하여 당시 제시되었던 V각 PSC 박스 거더교, Extradosed 박스거더교 와 같은 2가지의 대안설계를 뒤로하고 선정되 었다. Figure 1. 참고 교량 구조형식 강관구조의 구조역학적 장점은 다음과 같다.

defect states가 4개, down defect states가 5개

로 W에 의한 magnetic moment가 1μB임을 확

인하였다(Figure 3).

VBM에서 CBM 방향으로 첫 번째, 두 번째

defect states는 degenerated dyz, dzx orbital

character가 크게 나타나고, degenerated dxy,

dx2-y2 orbital character도 함께 나타난다. 세 번

째, 네 번째, 다섯 번째 defect states는

degenerated dxy, dx2-y2 orbital character가 크게

기여하고, degenerated dyz, dzx orbital character

와 degenerated px py orbital character가 함께

나타난다. 여섯 번째 defect states는 dz2 orbital

character가 크게 기여하고, pz orbital character

가 다음으로 기여한다.

Degenerated dyz, dzx orbital character가

dominant할 때, degenerated dxy, dx2-y2 orbital

character가 dominant할 때, dz2 orbital

character가 dominant할 때 순으로 에너지가 점점 높아지며, states 생김새도 orbital character마다 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 결론 GaSe 단일층에서 금속 원자(Ga)를 전이금속 원자(W)로 치환하였을 때 구조 변화로 인해 W이 Ga보다 Se과 가까이 위치하여 Se을 NN 로 두게 된다. 그러므로 W이 Ga보다 Se과의 상호작용을 더 많이 할 것으로 예측하였다. 또

한 구조 relaxation 계산으로 나온 total energy

를 비교함으로, WGa이 안정된 구조임을 알 수

있었다.

다음으로 WGa에서 전자구조, 자성 변화가

나타나는지 확인하였다. WGa에서 W에 의해 나

타난 defect states가 Γ point에서 degenerated 경향을 보였다. Defect states가 split되어 up, down 6개씩 나타났으며, W에 의한 magnetic

moment가 1μB임을 확인하였다. 또한 VBM에

서 CBM 방향으로 첫 번째, 두 번째 defect

states는 degenerated dyz, dzx orbital character,

세 번째, 네 번째, 다섯 번째 defect states는

degenerated dxy, dx2-y2 orbital character, 여섯

번째 defect states는 dz2 orbital character가 크

게 나타났다. 감사의 글 이 논문은 2012년도 정부 (교육과학기술부) 의 재원으로 한국연구재단 첨단사이언스•교육 허브개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2012M3C1A6035684) 참고문헌

[1] Mingsheng Xu et al, Chem. Rev., 113, 3766 (2013) [2] 유병덕, 물리학과 첨단기술, Jan./Feb. (2009)

Enhancement of TMD FET performance according to 2H-MoS

monolayer structure

최준행†_{, 정구혁}†

†_{Department of Electronics and Electrical Engineering, Hongik University, Seoul 121-791, Korea}

E-mail : [email protected], [email protected]

Abstract : 본 논문에서는 Edison simulation을 이용하여 2D TMD(Transition

Metal Dichalcogenides)물질인 MoS2의 monolayer 구조에서 화학/물리적 특성

분석을 통해 대칭 구조인 2H-MoS2의 안정성과 1.8 eV의 direct bandgap을

추출하여 전자재료로서의 가치를 확인하였다. 또한 Edison TMD FET 소자 특성 simulation을 이용하여 2H-MoS2 결정 면의 이방성으로 인한 소자 성능의 변화를 확인 하였고, 최적의 결정 면에서 최적화된 소자를 설계하여 29.6% 개선된 Ion/Ioff 값과 32.6% 개선된 mobility 값을 추출하였다. Introduction 최근 그래핀과 같은 2차원 소재가 높은 열 전도성과 높은 전자이동도 등의 뛰어난 성질 로 인해 고속 전자소자나 광학기기 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.[1,2] 하지만 bandgap이 없는 그래핀은 상온에서 저전력 을 요구하는 논리회로에는 적합하지 못하다. 이러한 단점은 안정적인 bandgap을 형성하 는 2차원 TMD(Transition Metal Dichalcogenides) 물질을 통해 극복이 가능한 데 MoS2는 이런 2차원 TMD물질 중 가장 대 표적인 물질이다. [3,4] MoS2는 Bandgap이 1.22 eV인 2차원 층상 구조로서, 층수에 따라 물리/화학적 성질이 달라지는 특성을 갖는 다.[5] 2차원 층상구조 물질의 일반적인 특성 중 하나인 결정 방향에 따라 armchair[010], zigzag[001] 형태의 structure로 구분되고 structure에 따라 물성변화가 나타난다. 본 논문에서는 Edison simulation tool을 이 용하여 격자구조와 band structure에 따른

bandgap 변화와, MoS2 격자 면에 따른 물성

의 이방성을 활용하여 고성능 전자소자의 조

건인 mobility 와 Ion/Ioff 값의 개선을 확인하

는 simulation 실험을 진행하였다.

Theory and computation method

Ion/Ioff 는 Ioff = 0.1μA/μm을 기준으로 설정

하여 Von = Voff + Vdd 일 때의 전류 값을 Ion으

로 계산하였고, Subthreshold Swing(SS)은 log scale의 transfer curve에서 [mV/dec] 단위로 추출하였다. Mobility는 기본 MOSFET 전류 식에서 field-effect mobility( μ_FE )를 유도 해 maximum 값을 추출하였다.[6] ID= W L𝐶𝐶I μ𝑛𝑛× [ ( VGS− V𝑡𝑡 ) VDS 1₂ VDS2 ] → μFE= _WCL_IVDS × _dVdI_GSD

(CI∶ Insulator capacitance per unit area )

84 제6회 EDISON SW 활용 경진대회

유전자 알고리즘을 이용한 강관 아치교 형상 최적화

(Optimization of Steel Arch Bridge Utilizing Genetic Algorithm)

남영준, 이정운†

토목공학과, 연세대학교, 서울특별시 서대문구 연세로 50

E-mail: [email protected], [email protected]

초록 : 실제로 설계되고 시공된 교량을 통한 간단한 모델링 과정을 거쳐 강관의 단면, 아치의 높이를 설계 변수로 설정하여 최적화를 진행하였다. This study is based on the real structure which is installed earlier in the field. The model is simplified, and thereafter, optimization process was done with a variation of cross-section and rise of the arch model.

1. 서론 원형 강관은 단면 특성상 역학적으로 많은 장점을 가지고 있지만 교량 구조물에의 적용은 그다지 활발하지 않았다. 하지만 최근 가공 및 용접 기술의 발달로 인해 강관의 제작과 접합 이 비교적 용이해짐에 따라 강관 구조물의 채 용이 증가하는 추세이며, 아치교에 대한 적용 이 가장 활발하게 진행되고 있다 [1]. 실제 교 량 설계에 있어서는 구조적 안정성 및 경제성 뿐만 아니라 경관성 그리고 기술적 차별화 등 다양한 인자가 고려되지만, 본 논문에서는 구 조적 안정성을 고려한 아치의 형상 및 단면의 최적화를 수행하고자 한다. 구조물의 최적 설계는 설계될 구조물의 특 성에 따라 설계 변수의 선택이 중요한 요소가 된다. 일반적으로 구조물의 설계는 경제적인 측면에서 규격화된 부재를 사용하는 것이 현실 적으로 타당하다. 규격화된 부재는 대량생산이 가능하여 경제성과 편의성을 가지는 가지는 이 점이 있다. 특히 최근에는 구조물의 대형화에 따라 구조물 설계 시에 설계 변수의 증가가 예 상되며, 이 경우 연속 변수를 사용하여 최적 설계 시에는 많은 어려움이 따른다. 이러한 이 유로 구조물 최적 설계는 경제적인 면을 고려 하여 규격부재를 사용하여 설계하는 것이 바람 직하기에 상용화되고 있는 여러 단면 그리고 아치의 높이를 설계 변수로 두고 최적화 과정 을 수행하였다. 1.1 참고 교량 개요 간단한 모델링을 위해서 참고한 교량은 국 도 35호선과 7호선을 연결하는 양산-동면간 도로상에 위치하는 교량으로서 북부천을 횡단 한다. 산악 및 계곡지역으로 인해 가성장비가 진입하기 어렵다는 시공성 측면, 고소교량임을 감안한 유지 관리성 측면, 랜드마크적 시공성 이 양호하다는 점을 고려하여 당시 제시되었던 V각 PSC 박스 거더교, Extradosed 박스거더교 와 같은 2가지의 대안설계를 뒤로하고 선정되 었다. Figure 1. 참고 교량 구조형식 강관구조의 구조역학적 장점은 다음과 같다.

Results and Discussion

Edison E-K diagram simulation 분석결과 Figure 1과 같이 monolayer일 때 1.81 eV의 direct bandgap인 것을 확인하였고 monolayer MoS2 structure의 경우 Figure 2와

같이 octahedral structure와 trigonal structure 의 두 가지 구조를 갖는 것을 확인 하였 다.[7,8].

Octahedral structure 1T-MoS2는 비대칭 구

조로 unstable하고 bandgap이 없는 반면 trigonal structure 2H-MoS2는 대칭 구조로

stable하고 1.81 eV의 bandgap이 존재한다. 이 중 stable한 2H-MoS2 구조의 경우 결정 면에 따라 물리적 성질 측면에서 이방성을 갖는다. Zigzag[001] 결정 면의 경우 한 방향 으로 정렬된 진동모드로 인해 열 전달에서 가장 큰 역할을 하는 격자진동 증폭이 증가 하게 되어 zigzag[001] 결정 면에서 높은 thermal coefficient(ke, k_ph)를 갖게 된다. 반 면 Armchair[010] 결정 면의 경우 다중 방향 진동 모드로 인해 zigzag[001] 결정 면에 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] Drain cu rr en t, log sc ale [μA/μm ] Zigzag Armchair 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Drain cu rr en t, line ar scale [μA/μm ] 0.0 0.5 1.0 1.5 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Lg.Lch = 5 nm Lg.Lch = 6 nm Lg.Lch = 7 nm Lg.Lch = 8 nm Lg.Lch = 10 nm Lg.Lch = 15 nm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Gate voltage [V] Dr ai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] Dr ai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ] 비하여 격자진동 증폭이 낮아 상대적으로 낮 은 thermal coefficient를 갖게 된다. 이렇게 낮은 thermal coefficient는 열에너지를 전기 에너지로 전환시키는 열전성능지수 (𝐙𝐙𝐙𝐙 = 𝐆𝐆𝐒𝐒𝟐𝟐𝐙𝐙 𝐤𝐤𝐞𝐞+𝐤𝐤𝐩𝐩𝐩𝐩 ) 값 또한 우수하게 만든다.[9] 이러한 Monolayer 2H-MoS2의 이방성을 FET 소자에 적용하여 simulation을 진행한 결 과 Figure 3과 같이 armchair[010] 결정 면이 zigzag[001] 결정 면보다 전기적 특성이 우수 한 것을 확인 하였고, 이러한 armchair[010] 결정 면으로 channel length를 변경한 결과 Figure 4와 같이 channel length가 짧을수록 전류가 잘 흐르는 FET 소자의 일반적인 특성 을 확인 하였다.

또한 Figure 5와 같이 single gate를 사용한 구조의 경우 Subthreshold Swing(SS)=59.8 Figure 2. Monolayer 2H-MoS2 and 1T-MoS2

Structure

Figure 1. MoS2 monolayer band structure

Figure 3. MoS2 orientation에 따른 transfer curve

Figure 4. MoS2 gate 및 channel length에 따

른 transfer curve 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] HfO2(dielectrio=25) SiO2(dielectrio=3.9) Al2O3(dielectrio=9.1) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] D rai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ] mV/dec, Ion/Ioff = 7.1 × 104, μ_FE= 13.93 cm2_{/V∙ s로 추출된 반면, double gate를} 사용한 경우 SS값은 single gate와 거의 동일 하지만 Ion/Ioff = 9.2×104 로 29.6% 증가하고 μFE= 18.47 cm2_{/V∙ s로 32.6% 증가한 것을}

확인하였다. 이 결과를 통해 double gate FET 관련 기존 논문들과 마찬 가지로 double gate 구조가 전기적 성능을 개선시킨다는 사 실을 수치로 확인하였다.[10,11]

Figure 6는 같은 조건에서 oxide 물질을 변 경하며 simulation한 결과이다. 각각 Dielectric constant 3.9(SiO2), 9(Al2O3),

25(HfO2)로 설정하였고 capacitance 값이 큰

HfO2의 경우 전기적 특성이 가장 우수한 것

을 확인하였다.

Figure 7은 이번 simulation 실험을 통해 최 적화된 FET소자 structure이다. Channel orientation은 armchair, oxide thickness는 3 nm, dielectric constant는 25, channel length 와 gate length 같은 5 nm로 설정하였고

double gate 구조를 사용하였다. 마지막으로 최적화된 MoS2 FET 소자의 transfer curve를

Figure 8에 나타내었다. Conclusions 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105

Optimized MoS₂ FET

Gate voltage [V] 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] Dra in c urre nt , log s ca le [μA /μm ]

Edison TMD FET simulation tool을 이용해 최 근 bandgap을 갖는 2D-material로 각광받고 있는 MoS2 FET 성능을 최적화하였다. MoS2의

orientation과 channel length, gate structure, oxide material 등의 parameter를 변경하며 실험을 진행하였고 이에 따라 mobility, on/off ratio, SS 등의 특성이 향상된 것을 확 인하였다. 감사의 글 Edison 나노물리 simulation을 이용하여 MoS2 FET을 세부적으로 설계 및 분석 할 수 있도록 지원해주셔서 감사 드립니다. 본 논문 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] Double gate Single gate 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] D rai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ]

Figure 5. MoS2 gate type에 따른 transfer curve

Figure 8. 최적화한 MoS2 FET transfer curve

Figure 6. MoS2 gate type에 따른 transfer curve

Figure 7. 최적화한 MoS2 FET structure

85 제6회 EDISON SW 활용 경진대회

유전자 알고리즘을 이용한 강관 아치교 형상 최적화

(Optimization of Steel Arch Bridge Utilizing Genetic Algorithm)

토목공학과, 연세대학교, 서울특별시 서대문구 연세로 50 E-mail: [email protected], [email protected]

초록 : 실제로 설계되고 시공된 교량을 통한 간단한 모델링 과정을 거쳐

강관의 단면, 아치의 높이를 설계 변수로 설정하여 최적화를 진행하였다. This study is based on the real structure which is installed earlier in the field. The model is simplified, and thereafter, optimization process was done with a variation of cross-section and rise of the arch model.

1. 서론 원형 강관은 단면 특성상 역학적으로 많은 장점을 가지고 있지만 교량 구조물에의 적용은 그다지 활발하지 않았다. 하지만 최근 가공 및 용접 기술의 발달로 인해 강관의 제작과 접합 이 비교적 용이해짐에 따라 강관 구조물의 채 용이 증가하는 추세이며, 아치교에 대한 적용 이 가장 활발하게 진행되고 있다 [1]. 실제 교 량 설계에 있어서는 구조적 안정성 및 경제성 뿐만 아니라 경관성 그리고 기술적 차별화 등 다양한 인자가 고려되지만, 본 논문에서는 구 조적 안정성을 고려한 아치의 형상 및 단면의 최적화를 수행하고자 한다. 구조물의 최적 설계는 설계될 구조물의 특 성에 따라 설계 변수의 선택이 중요한 요소가 된다. 일반적으로 구조물의 설계는 경제적인 측면에서 규격화된 부재를 사용하는 것이 현실 적으로 타당하다. 규격화된 부재는 대량생산이 가능하여 경제성과 편의성을 가지는 가지는 이 점이 있다. 특히 최근에는 구조물의 대형화에 따라 구조물 설계 시에 설계 변수의 증가가 예 상되며, 이 경우 연속 변수를 사용하여 최적 설계 시에는 많은 어려움이 따른다. 이러한 이 유로 구조물 최적 설계는 경제적인 면을 고려 하여 규격부재를 사용하여 설계하는 것이 바람 직하기에 상용화되고 있는 여러 단면 그리고 아치의 높이를 설계 변수로 두고 최적화 과정 을 수행하였다. 1.1 참고 교량 개요 간단한 모델링을 위해서 참고한 교량은 국 도 35호선과 7호선을 연결하는 양산-동면간 도로상에 위치하는 교량으로서 북부천을 횡단 한다. 산악 및 계곡지역으로 인해 가성장비가 진입하기 어렵다는 시공성 측면, 고소교량임을 감안한 유지 관리성 측면, 랜드마크적 시공성 이 양호하다는 점을 고려하여 당시 제시되었던 V각 PSC 박스 거더교, Extradosed 박스거더교 와 같은 2가지의 대안설계를 뒤로하고 선정되 었다. Figure 1. 참고 교량 구조형식 강관구조의 구조역학적 장점은 다음과 같다.

Results and Discussion

Edison E-K diagram simulation 분석결과 Figure 1과 같이 monolayer일 때 1.81 eV의 direct bandgap인 것을 확인하였고 monolayer MoS2 structure의 경우 Figure 2와

같이 octahedral structure와 trigonal structure 의 두 가지 구조를 갖는 것을 확인 하였 다.[7,8].

Octahedral structure 1T-MoS2는 비대칭 구

조로 unstable하고 bandgap이 없는 반면 trigonal structure 2H-MoS2는 대칭 구조로

stable하고 1.81 eV의 bandgap이 존재한다. 이 중 stable한 2H-MoS2 구조의 경우 결정 면에 따라 물리적 성질 측면에서 이방성을 갖는다. Zigzag[001] 결정 면의 경우 한 방향 으로 정렬된 진동모드로 인해 열 전달에서 가장 큰 역할을 하는 격자진동 증폭이 증가 하게 되어 zigzag[001] 결정 면에서 높은 thermal coefficient(ke, k_ph)를 갖게 된다. 반 면 Armchair[010] 결정 면의 경우 다중 방향 진동 모드로 인해 zigzag[001] 결정 면에 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] Drain cu rr en t, log sc ale [μA/μm ] Zigzag Armchair 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Drain cu rr en t, line ar scale [μA/μm ] 0.0 0.5 1.0 1.5 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Lg.Lch = 5 nm Lg.Lch = 6 nm Lg.Lch = 7 nm Lg.Lch = 8 nm Lg.Lch = 10 nm Lg.Lch = 15 nm 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Gate voltage [V] Dr ai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] Dr ai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ] 비하여 격자진동 증폭이 낮아 상대적으로 낮 은 thermal coefficient를 갖게 된다. 이렇게 낮은 thermal coefficient는 열에너지를 전기 에너지로 전환시키는 열전성능지수 (𝐙𝐙𝐙𝐙 = 𝐆𝐆𝐒𝐒𝟐𝟐𝐙𝐙 𝐤𝐤𝐞𝐞+𝐤𝐤𝐩𝐩𝐩𝐩 ) 값 또한 우수하게 만든다.[9] 이러한 Monolayer 2H-MoS2의 이방성을 FET 소자에 적용하여 simulation을 진행한 결 과 Figure 3과 같이 armchair[010] 결정 면이 zigzag[001] 결정 면보다 전기적 특성이 우수 한 것을 확인 하였고, 이러한 armchair[010] 결정 면으로 channel length를 변경한 결과 Figure 4와 같이 channel length가 짧을수록 전류가 잘 흐르는 FET 소자의 일반적인 특성 을 확인 하였다.

또한 Figure 5와 같이 single gate를 사용한 구조의 경우 Subthreshold Swing(SS)=59.8 Figure 2. Monolayer 2H-MoS2 and 1T-MoS2

Structure

Figure 1. MoS2 monolayer band structure

Figure 3. MoS2 orientation에 따른 transfer curve

Figure 4. MoS2 gate 및 channel length에 따

른 transfer curve 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] HfO2(dielectrio=25) SiO2(dielectrio=3.9) Al2O3(dielectrio=9.1) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] D rai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ] mV/dec, Ion/Ioff = 7.1 × 104, μ_FE= 13.93 cm2_{/V∙ s로 추출된 반면, double gate를} 사용한 경우 SS값은 single gate와 거의 동일 하지만 Ion/Ioff = 9.2×104 로 29.6% 증가하고 μFE= 18.47 cm2_{/V∙ s로 32.6% 증가한 것을}

확인하였다. 이 결과를 통해 double gate FET 관련 기존 논문들과 마찬 가지로 double gate 구조가 전기적 성능을 개선시킨다는 사 실을 수치로 확인하였다.[10,11]

Figure 6는 같은 조건에서 oxide 물질을 변 경하며 simulation한 결과이다. 각각 Dielectric constant 3.9(SiO2), 9(Al2O3),

25(HfO2)로 설정하였고 capacitance 값이 큰

HfO2의 경우 전기적 특성이 가장 우수한 것

을 확인하였다.

Figure 7은 이번 simulation 실험을 통해 최 적화된 FET소자 structure이다. Channel orientation은 armchair, oxide thickness는 3 nm, dielectric constant는 25, channel length 와 gate length 같은 5 nm로 설정하였고

double gate 구조를 사용하였다. 마지막으로 최적화된 MoS2 FET 소자의 transfer curve를

Figure 8에 나타내었다. Conclusions 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105

Optimized MoS₂ FET

Gate voltage [V] 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] Dra in c urre nt , log s ca le [μA /μm ]

Edison TMD FET simulation tool을 이용해 최 근 bandgap을 갖는 2D-material로 각광받고 있는 MoS2 FET 성능을 최적화하였다. MoS2의

orientation과 channel length, gate structure, oxide material 등의 parameter를 변경하며 실험을 진행하였고 이에 따라 mobility, on/off ratio, SS 등의 특성이 향상된 것을 확 인하였다. 감사의 글 Edison 나노물리 simulation을 이용하여 MoS2 FET을 세부적으로 설계 및 분석 할 수 있도록 지원해주셔서 감사 드립니다. 본 논문 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 101 103 105 Gate voltage [V] Double gate Single gate 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 D rai n cu rr en t, l in ear scale [μA /μm ] D rai n cu rr en t, l og scale [μA /μm ]

Figure 5. MoS2 gate type에 따른 transfer curve

Figure 8. 최적화한 MoS2 FET transfer curve

Figure 6. MoS2 gate type에 따른 transfer curve

Figure 7. 최적화한 MoS2 FET structure

86 제6회 EDISON SW 활용 경진대회

유전자 알고리즘을 이용한 강관 아치교 형상 최적화

(Optimization of Steel Arch Bridge Utilizing Genetic Algorithm)

남영준, 이정운†

토목공학과, 연세대학교, 서울특별시 서대문구 연세로 50

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초록 : 실제로 설계되고 시공된 교량을 통한 간단한 모델링 과정을 거쳐 강관의 단면, 아치의 높이를 설계 변수로 설정하여 최적화를 진행하였다. This study is based on the real structure which is installed earlier in the field. The model is simplified, and thereafter, optimization process was done with a variation of cross-section and rise of the arch model.

1. 서론 원형 강관은 단면 특성상 역학적으로 많은 장점을 가지고 있지만 교량 구조물에의 적용은 그다지 활발하지 않았다. 하지만 최근 가공 및 용접 기술의 발달로 인해 강관의 제작과 접합 이 비교적 용이해짐에 따라 강관 구조물의 채 용이 증가하는 추세이며, 아치교에 대한 적용 이 가장 활발하게 진행되고 있다 [1]. 실제 교 량 설계에 있어서는 구조적 안정성 및 경제성 뿐만 아니라 경관성 그리고 기술적 차별화 등 다양한 인자가 고려되지만, 본 논문에서는 구 조적 안정성을 고려한 아치의 형상 및 단면의 최적화를 수행하고자 한다. 구조물의 최적 설계는 설계될 구조물의 특 성에 따라 설계 변수의 선택이 중요한 요소가 된다. 일반적으로 구조물의 설계는 경제적인 측면에서 규격화된 부재를 사용하는 것이 현실 적으로 타당하다. 규격화된 부재는 대량생산이 가능하여 경제성과 편의성을 가지는 가지는 이 점이 있다. 특히 최근에는 구조물의 대형화에 따라 구조물 설계 시에 설계 변수의 증가가 예 상되며, 이 경우 연속 변수를 사용하여 최적 설계 시에는 많은 어려움이 따른다. 이러한 이 유로 구조물 최적 설계는 경제적인 면을 고려 하여 규격부재를 사용하여 설계하는 것이 바람 직하기에 상용화되고 있는 여러 단면 그리고 아치의 높이를 설계 변수로 두고 최적화 과정 을 수행하였다. 1.1 참고 교량 개요 간단한 모델링을 위해서 참고한 교량은 국 도 35호선과 7호선을 연결하는 양산-동면간 도로상에 위치하는 교량으로서 북부천을 횡단 한다. 산악 및 계곡지역으로 인해 가성장비가 진입하기 어렵다는 시공성 측면, 고소교량임을 감안한 유지 관리성 측면, 랜드마크적 시공성 이 양호하다는 점을 고려하여 당시 제시되었던 V각 PSC 박스 거더교, Extradosed 박스거더교 와 같은 2가지의 대안설계를 뒤로하고 선정되 었다. Figure 1. 참고 교량 구조형식 강관구조의 구조역학적 장점은 다음과 같다. 은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 지원으 로 한국연구재단 첨단 사이언스·교육 허브 개 발 사업의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2011-0020576) REFERENCE

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Strain 에 의한 monolayer 와 bulk MX

(M = Zr, Nb, Mo; X = S, Se,

Te)의 band structure 특징 분석

문찬미*, 설서은*, 조은수*

서울대학교 재료공학부, 서울특별시 관악구 관악로 1, 대한민국

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected] 본 논문에서는 다양한 원소 조합을 통한 다양한 특성과 2D 구조의 형성이 가능한 물질로서 최근 많은 응용에 활용되고 있는 TMD물질에 대하여 strain 엔지니어링 방법을 탐색하고자 하였다. 에디슨 나노물리의 LCAO 기반 DFT

전자구조계산 SW를 이용해 4, 5, 6족의 TMD물질(MX2, M = Zr, Nb, Mo; X = S,

Se, Te)의 monolayer, bulk 상태에 strain을 가했을 때 전자 구조의 변화를 계산하였다. Band gap 크기, 전자의 effective mass의 변화, direct-indirect gap transition 등을 전이금속의 종류에 따라 분류하여 분석할 수 있었다.

서론

최근 transition metal dichalcogenide (TMD) 물질군은 band gap의 존재, 높은 온도에서의 열적 안정성 등의 이유로 인해 경쟁력 있는 나 노 물질로 많이 연구되고 있다[1]. TMD의 화학 식은 MX2로 나타낼 수 있는데, M은 transition metal, X는 chalcogen이다. TMD는 M과 X에 어 떤 원소가 들어가느냐에 따라 반도체부터 금속 까지 다양한 성질을 가지기 때문에 촉매, 센서, 트랜지스터 등 여러 곳에 쓰일 수 있다[2]. 특 히, 2차원 TMD는 그래핀과 비슷한 6각형의 구 조를 가지면서 반도성 등의 다양한 전자적 성 질을 보이기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다. Strain은 물질에 쉽게 가할 수 있는 물리적 변화 중 하나이다. 그러므로 TMD에 strain을 가했을 때의 전자구조 변화를 연구한다면 많은 분야에 응용해볼 수 있을 것이다. 기존에 6족

금속인 Mo를 이용한 MoS2의 monolayer와

bulk의 전자적 성질 차이[1]나 monolayer

MoS2의 band structure가 strain에 의해 어떻게

변하는지[3]를 알아보는 연구들은 진행되었다.

그러나 sulphide 외의 MoSe2나 MoTe2와 같은

TMD 물질, 혹은 6족뿐만 아닌 4족, 5족 금속

을 이용해 ZrX2, NbX2(X = S, Se, Te)의 strain에

의한 band structure 변화, 또는 strain을 가했

을 때 monolayer와 bulk MX2의 band structure

차이를 알아보는 연구들은 많이 진행되지 않았

다. 본 연구에서는 2차원 TMD를 MX2(X = Zr,

Nb, Mo; W = S, Se, Te)의 다양한 조합으로 만 들어 각각이 monolayer와 bulk일 때의 band structure, 그리고 여기에 strain을 가했을 때의 band structure에 대해서 알아보고자 한다.

이론 및 계산방법

위 연구에서 TMD 물질(MX2, M = Zr, Nb, Mo;

X = S, Se, Te)의 monolayer, bulk 상태에 따른 band gap 형태와 strain을 가했을 때 band gap 변화 및 금속물질에서 전자의 effective mass 변화 등을 first-principles calculation을 통해 확인해 보고자 에디슨 나노물리의 linear combination of atomic orbitals (LCAO) 기반