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130423 nano
- 1. Seoul National University 박 영준교수 서울대학교 전기공학부 및 NSI_NCRC, Seoul National University www. nsi.snu.ac.kr Where the nanoscience and nanotechnology become reality 사이클, 플럭스 그리고 나노과학기술 진대제 AMP 2013
- 2. Seoul National University 강의 순서 -사이클(에너지, 물질, 정보) 플럭스 -원자, 분자, 반도체 그리고 나노 -나노과학기술
- 3. Seoul National University 싸이클(자연의 법칙) F = E –TS - Free energy: 쓸 수 있는 에너지 -E: 닫힌 계에서는 전체 에너지는 불변 - S: 엔트로피 최대가 되도록 변화(Uni direction) 지구는 닫힌계가 아님 -태양의 에너지가 공급, F가 증가(생명의 출현)
- 4. Seoul National University Energy and Power(에너지 변환싸이클) Power consumption(전력): Energy: 전기학자 ; 1eV 화학자: 1 Calorie =4200 J =1.167 W-h 기계, 물리학자 : 1J= 0.000277778 W-h (1kg을 1m 지구에서 끌어올리는데 필요한 에너지 =9.8J) 1 watt is approximately 3.41214 BTU/h; 4
- 5. Seoul National University Human( Life ) Number of Cells: 10 trillion and 100 trillion (10-100조) Daily calorie consumption per day:1200 calories for women, and 1800 calories for men =2.1kW-h ~0.1kW 1 pW : average power consumption of a human cell But your brain power =20W/1000cm**2 ~2% of weight, consumes 20% of energy 0.4-4 nW :roughly 1010 chemical reactions per second Pentium =100W /1cm**2 100W/1G ~ 100 nW 5
- 6. Seoul National University 10n Prefix 1024 Yotta 1021 Zetta 1018 Exa 1015 Peta 1012 Tera 109 Giga 106 Mega 103 Kilo 102 Hector 101 Deca, Deka 100 (none) • 10−24 Yocto • 10−21 Zepto • 10−18 Atto • 10−15 Femto • 10−12 Pico • 10−9 Nano • 10−6 Micro • 10−3 Milli • 10−2 Centi • 10−1 Deci • 10−0 (none) 6 10진법의 접두사들 - Magic number 3 vs. 4( 그리고 효율 0.33333)
- 7. Seoul National University Energy and Power 태양에서 지구로 오는 에너지: 180,000T W 인간이 사용하는 에너지 (15 TW) 인간의 몸이 사용하는 에너지(0.7TW) 한국의 발전~0.1TW 7 X(1/10000) X(1/20) X(1/10) Human is Energy Amplifier x20
- 8. Seoul National University 동물과 식물 사이클(물질) 60 GaJ hectare/1 year (600 kJ m)=> 540% energy return 8 (CH2O) n CO2 에너지 Fast process Slow process
- 9. Seoul National University 싸이클의 속도를 결정하는 것: 플럭스 - 변환이 얼마나 빨리 일어나는가? : 플럭스에 의해서 결정 -화학, 생명은 : 효소(Enzyme), Catalyst -정보는 : MOSFET Transistor의 게이트 전압
- 10. Seoul National University 정보 싸이클 1년에 싸이클 시키는 정보량 • 5 Exabytes (billion gigabytes) to 2000AD + 487 Exabytes 2000-2009AD + 2500 Exabytes/yr by 2012 Cycle of the big data is the challenge of the IT industry in 10 years
- 11. Seoul National University 강의 순서 -사이클 - 원자, 분자, 고체 그리고 나노 -나노과학기술
- 12. Seoul National University 탄소와 실리콘은 다 같이 가전자 4개 -둘 다 외곽 전자를 4개씩.. 같은 성질의 물질 - 외곽 전자가 아교 역할
- 13. Seoul National University 탄소는 생명을 실리콘은 정보화를 구현 탄소는 다이아 몬드를 실리콘은 실리콘 웨이퍼를 -실리콘은 단단한 구조, 그리고 전자, 홀로 정보화 사회를 건설 -Carbon은 실리콘 보다 ‘다양한 ‘ 구조를 가진다. => 다양한 성질, 생명의 출현(H, N, O, P등과 결합)
- 14. Seoul National University 반도체는 구조는 실리콘, 기능은 전자/홀 Energy
- 15. Seoul National University 15Seoul National University -친화도: 전자를 좋아하는 정도(혹은 에너지가 낮은 정도) (H2 와 O: O는 대표적으로 전자를 좋아하는 원자) -한가지 물질이면 동적(H2, O) -두 가지 다른 물질이 만나면 동적인 세계(H2, O)를 만듬 동적인 세계: 전자가 물질 사이를 움직임
- 16. Seoul National University 16Seoul National University Recent work from Richard SayKally's laboratory show s that the hydrogen bonds in liquid water break and r e-form so rapidly (often in distorted configurations) t hat the liquid can be regarded as a continuous netw ork of hydrogen-bonded molecules 물: 산소와 수소의 결합 - +
- 17. Seoul National University Seoul National University 물의 다이나미즘은 결국은 수소/산소의 전자 비대칭
- 18. Seoul National University 금속과 물의 만남: 산화 , 환원 Au AlZn Ag Fe Workfunction(에너지) More anodic Pb Cu More cathodic 산화
- 19. Seoul National University 19Seoul National University Cu+ ZnCu 금속과 물의 만남: 산화 , 환원 그리고 배터리의 시작 Cu Zn Mesophase carbon microbeads (MCMB)
- 20. Seoul National University 60년 전 처음으로 ‘홀’을 이해
- 21. Seoul National University 21Seoul National University -도핑을 해서, 전자의 친화도를 다르게 만든다. N region P region N형은 전자를 많이, P형은 홀을 많이
- 22. Seoul National University 22 -PN diode Seoul National University N region P region 다른 두 물질(P, N)을 이용, 전자친화도 다르게
- 23. Seoul National University Solar Cell and LED Efficiency =Light observed * # of e h pairs * e h to electrodes safely Efficiency =e h from electrodes * # of e h pairs recombined * light safely out
- 24. Seoul National University 강의 순서 -사이클 - 원자, 분자, 고체 그리고 나노 -나노과학기술과 바이오
- 25. Seoul National University Red blood cells (~7-8 mm) Head of a pin 1-2 mm Human hair ~ 60-120 mm wide Ant ~ 5 mm Dust mite 200 mm ~10 nm diameter Nanotube electrode Carbon nanotube ~1.3 nm diameter Microworld 0.1 nm 1 nanometer (nm) 0.01 mm 10 nm 0.1 mm 100 nm 1 micrometer (mm) 0.01 mm 10 mm 0.1 mm 100 mm 1 millimeter (mm) 1 cm 10 mm 10-2 m 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m 10-9 m 10-10 m Visible Nanoworld 1,000 nanometers = InfraredUltravioletMicrowaveSoftx-ray 1,000,000 nanometers = Zone plate x-ray “lens” Outer ring spacing ~35 nm MicroElectroMechanica l (MEMS) devices 10 -100 mm wide Red blood cells Pollen grain Carbon buckyball ~1 nm diameter DNA ~2-1/2 nm diameter Modified from Source: DOE, USA Top Down Bottom up 25 자연은 탄소를 이용; m 부터 nano까지를 구현
- 26. Seoul National University CELL은 C를 이용해서 자연이 만든 마이크로 세계
- 27. Seoul National University 생명의 기원은 Junction를 만든 자연의 기술
- 28. Seoul National University Central Dogma
- 29. Seoul National University -세포막에는 Antenna와 Radar가 달려있다. - Receptor라고 불리는 (주로 단백질) 안테나가 외부 분자를 인식 Molecular Antenna
- 30. Seoul National University DNA ( Deoxyribonucleic acid) Rosalind Franklin (25 July 1920 – 16 April 1958) was a British biophysicist
- 31. Seoul National University DNA는 구조와 기능
- 32. Seoul National University 32 생명의 신비: 수소 결합(Hydrogen bonding) A hydrogen bond is the electromagnetic attractive interaction between polar molecules in which hydrogen (H) is bound to a highly electronegative atom, such as nitrogen (N), oxygen (O) or fluorine (F). The name hydrogen bond is something of a misnomer, as it should not be confused with a covalent bond. It is not a true bond but a particularly strong dipole-dipole force.(Wikipedia)
- 33. Seoul National University 아미노산을 어떻게 결합하는가에 따라서, 단백질이 만들어진다 Protein(단백질)은 싸이클 제어기
- 34. Seoul National University 단백질은 신호 전달 마법사 The α-Subunit of the Stimulatory G-Protein (Gs) Activates Adenylate Cyclase Neurotransmitter,Response,Sleep,Pain/Addiction,Reward
- 35. Seoul National University 단백질은 신호 전달 마법사 Adenylate Cyclase가 G-Protein Subunits에서 온 신호를 이용해서 흥분, 제어 물질을 변환함 Cyclase β α
- 36. Seoul National University 36Seoul National University 자연이 만드는 나노 구조 단백질은 나노구조물 만들기 마법사
- 37. Seoul National University 단백질은 나노 구조 마법사
- 38. Seoul National University 사람이 만드는 구조물:CNT(탄소 나노튜브)와 그래핀 CNT(탄소 나노튜브) 그래핀
- 39. Seoul National University 나노 파티클/나노와이어/나노 필름/나노 구조체 현택환교수, 서울대
- 40. Seoul National University 새로운 바이오 반도체 플래트 폼(박영준교수) -반도체 칩위에 쉽게 바이오 센서 플래트 폼을 형성 - 바이오 시그날을 IT 인프라로 쉽게=> 새로운 지평
- 41. Seoul National University Wafer Suspension Solution : 1,2-Dichlorobenzene Stage ■ Wafer Level Dip Coating Dip Coater ELP for ‘Self Aligned Contact’
- 42. Seoul National University 새로운 바이오 반도체 플래트 폼(박영준교수) -바이오 분자 개발자, 장비 개발자 , 연구자에게 제공하는 비즈니스 플래트 폼
- 43. Seoul National University 자연이 만드는 나노 구조 를 모사하거나 인간이 만든 나노구조와 융합해서 인간의 경제, 리스크 프리, 새로운 세계를 만드는 원동력 나노 과학 기술의 비전 -힌트: 컴퓨터 => 인터넷=>게임=> 모빌리티 -힌트: 증기기관 => 철도 => 유통 - CO2 싸이클