본 연구에서는 첫째, 국제표준에서 규정한 형광직물과 재귀반사 소재에, 아동들이 선호하는 동물의 문양을 재귀반 사 필름과 검정색 직물로 디자인하여 부착한, 2벌의 안전의복과 안전조끼를 제작하였다. 둘째, 야간에 주변광원이 없어도 원거리에서 생체를 인지할 수 있도록 안전의복에 스마트 포토닉 디바이스를 장착함으로써, 어린이들이 어두 운 때 버튼 원터치만으로 상황에 따라 3가지 발광이 가능하도록 구현하였다. 제작한 스마트 안전의복을 마네킹에 착용시켜 주야간의 시인성을 비교한 결과, 시인성의 차이가 야간에 확연히 나타났는데, 기존의 안전의복 착용 시에 는 주변광원 없이는 착용자가 표출되지 않은 반면, 스마트 안전의복 착용 시는 약 70m의 원거리에서도 표출됨을 확인하였다. 따라서 야간이나 기상악화 시에 주행하는 운전자가 원거리에서 생체를 인지할 수 있어 교통사고나 도로상의 안전사고 예방에 기여할 것으로 기대된다. 셋째, 광섬유의 발광기능 안정성 유지와 발광시간의 연장을 위하여 에너지 소진 시 태양전지로 수확한 전기에너지를 사용함으로써, 장시간 안정되게 광섬유 발광이 가능하여 시인성의 안정성을 확인할 수 있었다. 이로써 스마트 포토닉 안전의복은 야간 작업자용으로도 활용 가능함이 증명되었다. 그 러므로 광섬유 안전의복은 태양전지에 의한 에너지 하베스팅 적용으로 안정적인 충전에 의해 실생활뿐만 아니라 어 두운 산업현장에서도 착용 가능성이 높을 것으로 기대된다.

본 연구의 목적은 형광직물과 재귀반사 소재만으로 제작, 보급되고 있는 현 안전의복에, 광섬유 적용으로 시인성을 높여 야간이나 기상악화 시 안전사고로부터 작업자나 보행자를 보호하는데 있다. 이를 위하여 LED를 촉매로 한 광섬유와, 에너지 하베스팅 기술을 적용하여 설계·제작한 안전조끼를 개발하였다. 안전조끼는 필름에 일체화된 자동 점멸 광섬유에 의해 빛을 방출하도록 설계되었고 이 조끼를 착용한 작업자의 움직임으로, 버려지는 에너지를 수확하 여 광섬유의 발광을 더 지속적으로 구동시키기 위해 에너지 하베스터를 제작하여 부착하였다. 그 결과, 첫째로 조끼 착용자의 신체는 광섬유(optical fiber)와 재귀반사 테이프를 통해 멀리서 인식 가능하도록 시인성이 높아져 사고예방에 도움이 된다. 즉 야간에 실시하는 도로변이나 고지대에서의 작업, 구조대원의 활동, 스포츠 활동 시 사고를 예방하거나, 비상상황이 발생할 경우 광섬유 발광을 변화시키는 신호로 사고 지점을 빨리 발견할 수 있어 인명구조에도 도움이 될 것이다. 둘째, 생활 속 버려지는 에너지를 활용하기 위하여 압전소자 발전 시스템을 개발하여 압전 에너지 하베스팅 장치를 탑재한 결과, 배터리부의 유효 충전량을 활성화하고 보조 충전을 함으로써 에너지를 소량일지라도 효율적으로 생산할 수 있었다. 동시에 안전조끼에 내장하여 제작함으로써 탈착이 용이하도록 하여 활용도를 높였다. 기존 안전 조끼의 경우 야간에 주변 조명이 없을 때는 조끼를 착용한 사람을 인식하는 것이 거의 불가능하지만, 본 연구에서는 안전조끼의 빛 신호로 주변 조명이 없을 때에도 100m 이내에서 착용자를 식별할 수 있었다. 또한 광섬유 적용 안전조끼는 측면에서의 시인성 향상뿐만 아니라 가볍고 (물)세탁이 가능하여 실용적 측면에서 현존하는 LED적용 안전의류보다 우수하다. 그러므로 본 연구에서 개발한, 광섬유와 에너지 하베스터를 장착한 안전조끼는 실용도가 높고 안전사고 발생 예방과 감소, 나아가 인명구조에 이바지할 것으로 추정된다.

본 연구의 목적은 형광직물과 재귀반사 소재만으로 제작, 보급되고 있는 현 안전의복에, LED 부착으로 시인성을 높여 야간이나 기상악화 시 안전사고로부터 작업자나 보행자를 보호하고, 기울기 센서와 소리신호를 탑재하여 의식불명 자의 구명에 도움을 주는데 있다. 이를 위하여 공학적 하이테크를 적용하여 설계·제작한 산업용 서스펜더형 안전벨트 및 기울기 센서와 소리신호가 탑재된 안전조끼형 벨트를 개발하였다. 그 효과로 첫째, 서스펜더형 안전벨트는 필름에 접착된 자동 점멸 LED에 의해 빛을 방출하도록 설계하여 벨트 착용자의 신체는 LED와 재귀반사를 통해 멀리서 인식되 어 사고예방에 도움이 된다. 또한 야간에 실시하는 도로변이나 고지대에서의 작업, 구조대원 활동, 스포츠 활동 시 사고를 예방하거나, 비상상황이 발생할 경우 LED 발광을 변화시키는 신호로 사고 지점을 빨리 발견할 수 있어 인명구조 에 도움이 된다. 둘째, 착용자가 조난사고 등으로 인하여 의식불명으로 쓰러질 경우, 조난신호를 발생하는 첨단 디바이스를 개발하여 감지 및 신호 장치를 탑재한 결과 제어부의 기울기 센서가 인체의 각도를 자동 감지하였다. 동시에 조끼형의 벨트 형태로 제작함으로써 탈착이 용이하도록 하여 활용도를 높였다. 사고로 착용자가 쓰러지면 이 벨트의 기울기 센서가 각도를 감지하고 제어기가 고주파 음과 LED 점멸신호를 동시에 발생시킨다. 기존의 안전 조끼의 경우 주변 조명이 없을 때는 조끼를 착용한 사람을 감지하는 것이 거의 불가능 하였지만, 본 연구에서는 안전벨트의 음향과 빛 신호로 주변 조명이 없을 때에도 100 m 이내에서 착용자를 발견할 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 LED 부착과 기울기 센서, 소리신호 소자를 부착한 스마트 안전의류의 개발은 사고발생 감소와 구명에 이바지할 수 있을 것이다.

0.9PMN-0.1PT계의 압전물성을 상전이 온도를 포함하는 -40˚C~100˚C의 넓은 온도범위에서 조사하였다. 압전물서의 측정을 위해 상전이 온도 이하인 -40˚C에서 시편을 분극처리를 한 후 승온하면서 공진반공진법에 의해 측정하였다. 0˚C이하에서 압전체의 필요충분조건인 압전 spectrum이 선명하게 나타남을 통해서 상전이 온도보다 충분히 낮은 온도에서 0.9PMN-0.1PT가 압전체임을 확인하였다. 상전이온도인 40˚C보다 훨씬 높은 90˚C 정도의 온도에서도 압전 spectrum이 관찰되어 있음을 통해서 0.9PMN-0.1PT 완화형 강유전체의 경우 상전이온도 이상에서도 전기기계 변환이 일어나고 있으며 강유전체인 압전체의 성질을 띠고 있다는 것을 확인하였다.

완화형 강유전체인 0.9MPb*Mg13/Nb23/)O3-0.1PbTiO3에서 강유전-상유전 상전이에 수반되는 relaxation거동을 살펴보기위해 낮은 전계에서 측정된 유전특성과 높은 전계에서 측정된 전계유기 분극 거동 등을 조사하였다. -50-90˚C의 상전이 온도범위에 걸쳐 1V/mm의 낮은 전계에서 측정된 유전특성의 온도의존성을 구하고 수 kVmm의 강전계하에서 발생된 분극의 온도의존성을 관찰하였다. 이 모든 결과들은 Vogel-Fulcher관계식에 비교적 정확하게 일치되었으며 그 결과 Tf 는 294.6˚K로 나타났다. 본 연구결과를 통하여 Vogel-Fulcher관계식에 의한 주파수 의존성은 낮은 전계하에서의 유전특성 뿐 아니라 강전계하에서의 여러물성들도 동일하게 적용되는 것을 확인할 수 있었다.

BaTiO3물질은 뛰어난 유전체로 널리 알려져 왔으며 특히 Heywang등이 제안한 PTCR특성은 이 물질의 응용범위를 세라믹 필터, 회로보호소자, 온도감지소자 및 저항가열장치 등으로 확대시켰다. 이러한 특성의 발현기구는 아직까지 밝혀지지 않은 상태이지만 제 특성을 향상시키기 위한 노력은 계속되어왔다. 특히 개발목적에 맞게 온도에 따른 정저항 특성(PTCR; Positive temperature constnat of resistivity phenomena)을 설계하려는 시도가 계속되어 왔으며 그 중에서도 페로브스카아트계의 2가와 4가의 양이온 자리를 등가나 원자가가 다른 양이온으로 치환하여 특성을 개선하려는 시도가 계속되어 왔다. 특히 Ca2+나 Sr2+는 Ba2+자리를 치환할 수 있는 물질로 개별적인 첨가에 대한 연구는 많은 연구자들에 의해 진행된 상태이지만 최종적인 영향이나 해석에 대해서는 연구자들간에 이견이 많은 상태이다. 이번 실험에서는 BaTiO3계에 합성한 (Ca, Sr)TiO3를 Ca와 Sr의 상대적인 비를 변화시키면서 전체적인 첨가량을 변화시켜 그에 따른 전기적 특성 및 미세구조를 살펴보았다. (Ca, Sr)TiO3의 첨가로 상온저항 및 PTCR특성을 변화시킬 수 있었으며 이를 통해 PTCR물질의 활용범위를 넓힐 수 있는 발판을 마련할 계기가 되었다. 특히 기존의 연구가 주로 개별적인 Ca나 Sr의 첨가에 의한 미세구조와 전기적 특성변화의 연구에 치중해 있었던 것과는 달리 Sr과 Ca을 함께 치환하여 상대적인 비가 특성에 더 중요한 영향을 끼치는 것을 확인하였으며 적절한 합성비를 선택하면 퀴리온도에서의 저항변화폭을 유지하면서 상온저항을 낮출 수 있음을 확인하였다.

Ba(NO3)2와 TiCl4의 혼합 수용액으로부터 전기화학법 중 음극혼원법(cathodic reduction method)을 이용하여 stainless steel기판 위에 BaTiO3박막을 제조하였다. BaTiO3전구체 박막은 혼합 수용액으로부터 반응초기에 TiO2·nH2OM/형태로 우선적으로 형성되었으며, 일정 시간이 경과한 후에는 일정한 Ba/Ti몰비를 갖는 박막이 제조되었다. BaTiO3박막 내 Ba/Ti조성비는 혼합 수용액 내에 존재하는 이온 조성비 Ba2+/Ti4+에 변화하였는데, 0.3M Ba(NO3)2와 0.1M TiCI4의 혼합 수용액과 10mA/cm2의 전류를 흘려주는 조건에서 Ba/Ti의 조성비가 1에 가까운 박막을 얻을 수 있었다. 이러한 전구체 박막을 500˚C이상에서 열처리한 결고 페로브스카이트 상의 BaTiO3박막이 제조되었다.

전기화학법 중 음극환원법을 이용하여 0.005M TiCI4수용액으로부터 수화물 형태의 TiO2박막을 제조하였다. TiCI4수용액에 첨가제로 에탄올을 50vol% 첨가하여 균일한 박막을 얻을 수가 있었으며, 전류밀도와 시간에 따라서 박막의 두께와 미세구조가 변화하였다. 성장속도가 큰 조건에서 얻은 박막은 균질성의 감소로 인하여 건조과정이나 열처리 중 다량의 균열이 발생하였다. 일정한 전류밀도ㅇ에서 반응시간의 증가에 따라 박막의 두께가 직선적으로 증가하였으며, 10mA/cm2의 전류밀도에서 3분 동안 반응시켜 약 0.7μm 두께의 우수한 TiO2박막을 얻을수 있었다. 이러한 박막은 800˚C에서 한 시간 열처리 한 결과, rutile 단일상으로 결정화되었다.

박막 형 가스 센서의 막 두께가 가스 감지 특성에 미치는 영향을 단순화된 모델로부터 수식으로 유도하여 해석하였고, 그것을 SnO2와 CuO-SnO2 박막의 h2S 감응 특성에 대한 실험 결과에 적용하였다. 유도된 수식으로부터 박막 가스 센서의 가스 감지 특성은 가스의 박막 안으로의 확산성에 크게 의존하며, 그 가스 확산성은 박막의 두께, 가스의 센서 재료의 반응성, 작동 온도 등에 의해서 결정됨을 알 수 있었다. 또한 이 수식은 CuO-SnO2 박막의 h2S 감응 특성에 대한 실험 결과와 비교적 잘 일치하였고, CuO-SnO2 박막과 SnO2 박막의 서로 판이한 h2S 감응 특성에 대한 설명에 적용되었다. 이로부터, 일반적인 산화물 반도체식 가스 센서의 가스 감지 특성이 가스 확산성에 의해서 어떻게 지배되는가를 구체적으로 제안하였다.

초음파분무를 이용한 MOCVD법으로 강유전 BaTiO3 박막을 제조하였다. 초음파 분무 MOCVD법은 비교적 저온에서도 후열처리없이 결정화된 박막의 제조가 가능하다. 증착한 박막은 기판온도가 증가할수록 (110) 우선 배향성을 가졌으며, 기판온도에 따라서 서로 다른 결정상을 나타내었다. 기판온도가 550˚C인 경우에 증착한 박막은 결정화가 완전히 진행되지 않았으며, 결정립의 크기도 매우 작아 상온에서 입방정상의 특성을 보였다. 600˚C에서 증착한 박막은 결정화가 진행되어 입자의 크기는 성장하였으나 의사 입방정상을유지하고 있었다. 반만 650˚C에서 증착한 박막은 결정화뿐만 아니라 주상으로 성장하여 수직 방향으로는 박막 두께의 크기를 가져 CV 특성에서 이력곡선을 보였으며, 정전용량의 온도 변화에 따른 특성에서도 상전이의 특성을 나타내었다.

완화형 강유전체의 가장 대표적인 PMN계에서 첨가제의 종류와 함량, 측정온도, 인가 전계의형태 등의 변화에 따른 전계인가 변화특성을 광법위하게 조사하였다. Columbite precursor법에의해 분말을 준비하고 고상소결방법에 의하여 모든 시편을 제조하였다. 순수한 PMN에 첨가제로서 PbTiO3와 Pb(Zr, Ti)O3를 첨가한 경우에 완전한 perovskite 구조의 고용체가 형성되었음을 알 수 있었다. Tεmax이상에서는 변위의 이력이 크게 발생하는 강유전체의 거동을 보여주었다. 양방향으로 전계를 인가하여 변위를 이용하면 발생 strain은 실온 근방에서 온도에 대하여 안정적이지만 단방향 전계에 따른 변위는 온도에 따라 크기가 변한다는 것을 알 수 있었고 유전상수가 큰 경우가 전왜의 크기 또한 큰 것을 알 수 있었다. 0.9MN-0.1PT와 0.8PMN-0.2PZT의 경우 최대가 되는 온도는 유전율이 최대가 되는 온도보다 더 낮은 온도에서 나타났다.

60Hz의 교류전계를 사용하는 종래의 Sawyer-Tower회로를 응용하여 0.1Hz의 직류 개념(quasi-DC)의 전계를 이용한 polarization과 strain의 동시 측정을 실시하였다. 측정의 대상으로는 강유전체로서 압전변형을 보이는 재료 중 가장 대표적인 PZT 계와 완화형 강유전체로서 전왜변형을 보이는 재료 중 가장 대표적인 PZT계와 완화형 강유전체로서 전왜변형을 보이는 재료 중 가장 대표적인 PMN계로 하였다. 0.1Hz한 주기의 전계 인가로 이력곡선을 측정할 수 있어서 시편의 발열을 크게 억제할 수 있었고 정확한 온도에서의 측정이 가능하였다. 또한 양방향 전계뿐 아니라 단방향 전계, 바이어스 전계도 인가할 수 있기 때문에 종래의 Sawyer-Tower 방법에서는 얻을 수 없는 강유전성에 관한 다양한 정보를 얻을 수 있었다. 이 방법은 또한 0.1Hz의 전계 하에서 얻을 수 없는 강유전성에 관한 다양한 정도를 얻을 수 있었다. 이 방법은 또한 0.1Hz의 전계 하에서 이력곡선이 측정되는 한 주기 동안에 시편에 부착된 스트레인 게이지를 통해 전계인가에 따른 strain 변화를 동시에 측정할 수 있기 때문에 strain과 polarization의 상관관계를 정확히 조사할 수 있다는 장점이 있다. PMN계에서 인가되는 전계의 넓은 범위에서 전왜정수 Q값을 연속적으로 구할 수 있었다.

수산화물법에 의해 제작된 α-stannic acid의 열분해 거동과 SnO2분말의 성질에 미치는 잔류염소이온의 영향을 관찰하였다. SnCl4와 NH4OH 수용액을 중화시켜 α-stannic acid침전물을 제작하고 NH4NO3수용액으로 세척하였다. 분말내의 잔류 염소이온의 양을 주절하기 위하여 세척정도를 3단계로 조정하였다. 세척후 100˚C에서 건조하고, 500˚C ~ 1100˚C에서 하소함으로써 SnO2분말을 제조하였다. α-stannic acid의열분해 거동ㅇ르 DT-TGA 와 FTIR을 통하여 관찰하고, SnO2분말의 조성과 입자크기 및 비표면적을 각각 AES, TEM 및 BET을 통하여 측정하였다. 잔류 염소이온 양이 감소되면, 저온 하소시 일차입자의 상대적 크기가 커지는 반면 고온하소시에는 상대적으로 감소되었ㄷ. 잔류 염소이온의 일부는 α-stannic acid내의 격자산소 자리에 위치함으로써, 저온가열시 결정수탈리와 결정화를 지연시키고 또한 고온가열시에는 이의 증발에 의해 산소공공이 생성되어 소결을 촉진시킨다고 제의하였다.

Hydroxide법으로 α-주산산(stannic acid)을 만든후, 하고온도를 500˚C~1100˚C로 조정하여 일차입자(Crystallite)크기가 8-54nm인 SnO2 분말을 제작하였다. 분말의 입자(drystalite)클기에 따른 분말특성와 H2, CO가스(0.5v/o)에 대한 감응성 미치공기중에서의 저상변화특성에 미치는 영향을 조사하였다. 입자크기가 감소함에 따라, 분말의 FTIR 흡습특성은 증가하였으나, 격자상수는 일정하였다. 후막소자에서, H2가스에 대해 최대감도를 나타내는 온도와 공기중에서 최소저항을 나타내는 온도는 입자크기가 미세해짐에 따라 점차 낮아졌다. 최소저항점과 최대감도점의 온도저하를 산소흡착종의 활성화에너지의 감소라고 유추하였고, 이러한 에너지의 감소가 미세입자에 의한 감도향상요인 중의 한가지라고 제의하였다.

대향타겟트형 스파터기에서 BaO-l2Fe 복합타겟트를 사용하고 50% O2+Ar 스파터가스를 사용한 반응성 프라즈마를 스펙트로스포프법으로 검진하였다. 프라즈마의 스펙트럼은 Ba, Ba+, Fe, FeO, Fe+, Ar, Ar+, O, O+의 피크로 이루어져 있었으며 타겟트로 부터 멀어짐에 따라 이온의 상대강도는 중성원소의 그것에 비하여 더 감소하였다.

고분해능 전자에너지손실 및 자외선광전자 분광법을 사용하여 단결정 NbC(111)면의 산소횹착을 연구하였다. NbC(111) 표면에는 산소가 원자 및 분자상태로 흡착되었다. 산소원자는 3-fold hollow site에 흡착되며 진동수는 548cm-1이었다. 산소분자의 신축진동수는 968cm-1로서 기체상태인 산소분자의 진동수보다 크게 낮았으며, 산소분자의 흡착으로 일함수가 증가하였다. 이는 NbC(111) 기판으로부터 산소분자의 2ppig 궤도로 전자가 이동하였음을 보여주는 증거이다.