Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology
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Insights into an indolicidin-derived low-toxic anti-microbial peptide's efficacy against bacterial cells while preserving eukaryotic cell viability
No full textAntimicrobial peptides (AMPs) are a current solution to combat antibiotic resistance, but they have limitations, including their expensive production process and the induction of cytotoxic effects. We have developed novel AMP candidate (peptide 3.1) based on indolicidin, among the shortest naturally occurring AMP. The antimicrobial activity of this peptide is demonstrated by the minimum inhibitory concentration, while the hemolysis tests and MTT assay indicate its low cytotoxicity. In optical diffraction tomography, red blood cells treated with peptide 3.1 showed no discernible effects, in contrast to indolicidin. However, peptide 3.1 did induce cell lysis in E. coli, leading to a reduced potential for the development of antibiotic resistance. To investigate the mechanism underlying membrane selectivity, the structure of peptide 3.1 was analyzed using nuclear magnetic resonance spectroscopy and molecular dynamics simulations. Peptide 3.1 is structured with an increased distinction between hydrophobic and charged residues and remained in close proximity to the eukaryotic membrane. On the other hand, peptide 3.1 exhibited a disordered conformation when approaching the prokaryotic membrane, similar to indolicidin, leading to its penetration into the membrane. Consequently, it appears that the amphipathicity and structural rigidity of peptide 3.1 contribute to its membrane selectivity. In conclusion, this study may lead to the development of Peptide 3.1, a promising commercial candidate based on its low cost to produce and low cytotoxicity. We have also shed light on the mechanism of action of AMP, which exhibits selective toxicity to bacteria while not damaging eukaryotic cells. © 2024 International Union of Biochemistry and Molecular Biology.FALSEsciescopu
Cyclin-dependent kinase inhibitor p18 regulates lineage transitions of excitatory neurons, astrocytes, and interneurons in the mouse cortex
No full textNeural stem cells (NSCs) can give rise to both neurons and glia, but the regulatory mechanisms governing their differentiation transitions remain incompletely understood. Here, we address the role of cyclin-dependent kinase inhibitors (CDKIs) in the later stages of dorsal cortical development. We find that the CDKIs p18 and p27 are upregulated at the onset of astrocyte generation. Acute manipulation of p18 and p27 levels shows that CDKIs modulate lineage switching between upper-layer neurons and astrocytes at the transitional stage. We generate a conditional knock-in mouse model to induce p18 in NSCs. The transcriptomic deconvolution of microdissected tissue reveals that increased levels of p18 promote glial cell development and activate Delta-Notch signaling. Furthermore, we show that p18 upregulates the homeobox transcription factor Dlx2 to subsequently induce the differentiation of olfactory bulb interneurons while reducing the numbers of upper-layer neurons and astrocytes at the perinatal stage. Clonal analysis using transposon-based reporters reveals that the transition from the astrocyte to the interneuron lineage is potentiated by p18 at the single-cell level. In sum, our study reports a function of p18 in determining the developmental boundaries among different cellular lineages arising sequentially from NSCs in the dorsal cortex.TRUEsciescopu
Impact of surface oxidation on gilbert damping and inverse spin hall effect in SiO2/Ta/NiFe multilayers
Full text linkSpin pumping in bilayer systems composed of ferromagnetic materials (FM) and heavy metals (HM) generates spin currents that can be detected by the inverse spin Hall effect (ISHE). Here, the reduction in Gilbert's damping (α) during spin pumping and the ISHE in the SiO2/Ta (tnm)/NiFe (10nm) bilayer system was observed. The value of α for SiO2/NiFe (10 nm) was determined to be 0.0121 ± 0.0003. However, for SiO2/Ta (t nm)/NiFe (10 nm), a consistently lower damping across all Ta thicknesses was observed, which could be due to non-equilibrium spin accumulation at the interface. Additionally, high interfacial spin mixing conductance values of -1.83(±0.05) × 1019 m-2 and a spin diffusion length (λSD) of 2.77±0.53 nm was obtained. Further high inverse spin Hall voltage was recorded and the spin Hall angle of -0.024 was calculated for the Ta 7 nm system. © 2024TRUEsciescopu
Self-powered flexible sensors: from fundamental mechanisms toward diverse applications
Full text linkToday, energy is essential for every aspect of human life, including clothing, food, housing and transportation. However, traditional energy resources are insufficient to meet our modern needs. Self-powered sensing devices emerge as promising alternatives, offering sustained operation without relying on external power sources. Leveraging advancements in materials and manufacturing research, these devices can autonomously harvest energy from various sources. In this review, we focus on the current landscape of self-powered wearable sensors, providing a concise overview of energy harvesting technologies, conversion mechanisms, structural or material innovations, and energy storage platforms. Then, we present experimental advances in different energy sources, showing their underlying mechanisms, and the potential for energy acquisition. Furthermore, we discuss the applications of self-powered flexible sensors in diverse fields such as medicine, sports, and food. Despite significant progress in this field, widespread commercialization will necessitate enhanced sensor detection abilities, improved design factors for adaptable devices, and a balance between sensitivity and standardization.TRUEsci
Crosstalk between lipocalin-2 and IL-6 in traumatic brain injury: Closely related biomarkers
No full textClinical biomarkers are crucial for diagnosing and predicting outcomes in patients with traumatic brain injury (TBI). In this study, we performed an unbiased analysis of plasma proteins in acute TBI patients using bead-based multiplex assays and identified a strong positive correlation between LCN2 and IL-6 levels. Based on these findings, we hypothesized that LCN2 and IL-6 are closely related circulating biomarkers for TBI. Our previous and current studies demonstrate that the expression of LCN2, IL-6, and its receptors is upregulated in patients with chronic traumatic encephalopathy, in mouse models of traumatic and ischemic injury, and in an in vitro scratch injury model. Lcn2-deficiency reduced the injury-induced expression of IL-6 and its receptors in both animal and scratch injury models. These results suggest an augmented LCN2-dependent IL-6 signaling in the injured brain. As both LCN2 and IL-6 are secreted proinflammatory mediators, we further explored the possibility of cross-regulation between LCN2 and IL-6. In cultured glial cells, treatment with recombinant LCN2 protein enhanced the microglial expression of IL-6, while IL-6 protein treatment increased astrocytic LCN2 expression. Moreover, IL-6 expression and release were elevated in LCN2-overexpressing transgenic mice. Mechanistically, IL-6 enhanced astrocytic LCN2 expression through STAT3 signaling, while LCN2 upregulated microglial IL-6 expression through the NF-κB pathway. Taken together, our results suggest an important role of the LCN2-IL-6 axis in amplifying neuroinflammation through a positive feedback loop in secondary brain injury conditions. Finally, this study implies the utility of LCN2 and IL-6 as closely related biomarkers for TBI diagnosis and prognosis. © 2024 Elsevier Inc.FALSEscopu
A Body-Scale Robotic Skin Using Distributed Multimodal Sensing Modules: Design, Evaluation, and Application
No full textRobotic systems start to coexist around humans but cannot physically interact as humans do due to an absence of tactile sensitivity across their bodies. Various studies have developed a scalable tactile sensor to grant a body-scale robotic skin, yet many faced drawbacks arising from the rapidly increasing number of sensing elements or a limited sensibility to a wide range of touches. This paper proposes a body-scale robotic skin composed of multimodal sensing modules and a multilayered fabric, simultaneously utilising super-resolution and tomographic transducing mechanisms. These mechanisms employ fewer sensing elements across a large area and complement each other in perceiving a wide range of stimuli humans can sense. Their measurements are processed to encode spatiotemporal properties of touch, which are decoded by a trained convolutional neural network to classify the touch modality, while their computational costs are minimised for on-device computation. The robotic skin was demonstrated on a commercial robotic arm and interpreted human touches for tactile communication, suggesting its capability as a body-scale robotic skin for further physical interaction. © IEEE.FALSEsciescopu
표적 세포 자극 및 초음파 이미징을 위한 미세 기계전자 초음파 트랜스듀서 디자인 및 개발
No full textpMUTs, Targeted therapy, Ultrasound stimulation, Ultrasound imaging, Miniaturized transducers초음파 트랜스듀서는 안정선, 정밀한 초점 조정 능력, 편리성 등 고유한 장점 덕분에 우리의 삶을 더 편리하고 풍요롭게 만드는 동시에, 산업 자동화와 인간 생활의 혁신을 이끌어가는 중요한 역할을 수행해 왔다. 또한 초음파의 비침습성과 안정성은 헬스케어, 산업, 생의학 및 로봇 공학 분야에 걸쳐 광범위하게 응용되어져 왔으며, 특히 생의학 분야에서 미세혈관 및 내부 장기 시각화, 로봇 시스템과 결합된 실시간 이미징 시스템 및 신경조절과정을 통한 신경 기능 조절 등에 활용되며 차세대 기술로써 활용이 기대되어지고 있다. 이러한 응용에 있어 기존 트랜스듀서는 크기 제한과 전자 회로와의 호환 과정에서의 비호환성은 한계로써 지적되어지고 있다. 압전 초소형 초음파 트랜스듀서는 소형화 가능성과 2 차원 형태의 고집적화된 트랜스듀서 어레이 제작 가능성, 그리고 디자인의 높은 자유도는 고도화된 초음파 산업에서 요구를 충족할 수 있는 대안으로 목적에 맞는 설계가 가능하여 많은 관심을 받고 있다. 또한 그러나 공정 변수에 의한 어레이의 균일도와 잔류응력 등에 의한 기대에 미치지 못하는 성능은 기존에 제안되었던 트랜스듀서의 대안으로 사용하기에는 성능 향상에 대한 고려가 선행되어야 한다. 본 연구에서는, 압전 초소형 초음파 트랜스듀서를 목적으로 하는 생의학 분야에 적용하기 위해 성능 향상을 위한 공정 개발과 구조적 디자인 최적화를 수행하였으며, 개발된 트랜스듀서의 응용 가능성을 확인하였다. 첫째, 압전 초소형 초음파 트랜스듀서의 소자 특성 향상을 위해 다양한 형태의 에칭 홀에 따른 진동 특성 평가를 수행하였다. 에칭 홀은 초음파 트랜스듀서의 경계 조건에 영향을 주어 공진 주파수, 멤브레인의 변형 및 유효 진동 면적에 영향을 주어 초음파 발진 특성 향상에 적용될 수 있다. 표면 마이크로머시닝 공정에서 주로 사용되는 원형 에칭 홀 패턴을 지닌 멤브레인과 비교하였을 때, 20°의 핀 형태를 지닌 에칭 홀은 전송 압력을 26% 향상시킨 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 막의 크기와 재료 조합 등 멤브레인을 구성하는 구조적 변수에 따라 다르게 나타날 수 있으며, 소자의 성능 향상을 위해 적용될 수 있는 중요한 전략으로 사용될 수 있음을 보여주었다. 둘째, 초음파 이미징을 위한 1차원 압전 초소형 초음파 트랜스듀서를 제작하고자 하였다. 방위-고도 개구를 갖춘 1 차원 초음파 트랜스듀서의 설계는 합성 개구법을 이용한 고해상도 초음파 이미징에 활용이 가능한 디자인이다. 적은 공정 변수로 고균일도의 어레이 제작이 가능한 기판접합 공정을 통해 제작된 초음파 트랜스듀서는 공진 주파수의 균일도가 0.33%에 불과한 상당히 균일한 어레이 특성을 보였다. 이러한 균일한 초음파 트랜스듀서는 펄스-에코 기법을 기반으로 초음파 이미징에 활용될 수 있는 충분한 음향 특성을 지녔음을 확인하였으며, 수백 마이크로미터 크기의 단일 물체 이미징을 성공적으로 수행하였다. 또한 프로그램이 가능한 초음파 이미징 획득 시스템을 사용하여 이동하는 물체를 인지할 수 잇는 실시간 영상 획득에 활용될 수 있음도 검증되었다. 마지막로는, 초음파를 이용한 표적 세포 분화에 응용하고자 압전 초소형 초음파 트랜스듀서 어레이를 제작하였다. 우수한 크기 조절 능력으로 국소 부위에 초음파를 조사할 수 있도록 설계된 초음파 트랜스듀서 어레이는 SH-SY5Y 세포에 적용하여 분화를 촉진할 수 있는지 확인되었다. 이를 통해 조사한 초음파의 양에 따라 신경 세포로의 분화의 지표로 신경 돌기가 향상된 결과를 확인하였다. 초음파를 이용하여 세포 분화를 유도할 수 있는 조건을 바탕으로, 표적 위치에서 세포를 선택적으로 분화시킬 수 있음을 검증하고자, 자성 기반의 세포 로봇을 목표 위치에 자기장을 인가하여 전달한 후 전달된 위치에 존재하는 세포들에 초음파를 인가하여 분화가 유도되는지를 확인하였다. 자기장으로 선택 위치에 도달한 세포 중 초음파가 인가된 영역에 있는 세포들은 초음파에 의해 유의미한 신경 돌기 성장이 이루어진 것을 확인하였다. 이를 통해 제안한 자성 기반 표적 세포 전달 기술과 국소 부위 초음파 자극 기술을 결합하여 표적 위치만을 선택적으로 분화할 수 있음을 보여주었으며, 이를 개선하여 줄기 세포 기반 치료법의 성공률 개선과 신경망 형성 기술의 발전에 기여할 수 있을 거라 전망한다. 결론적으로, 박사 과정 동안 연구진과 저는 두 가지의 압전 미세 초음파 트랜스듀서 제조 공정을 개발하여 출력 성능을 향상시키고, 신경 질환 및 초음파 이미징 기술을 위한 생체의료
응용에서 그 잠재력을 성공적으로 입증하였다. 미세 초음파 트랜스듀서를 다양한 분야의 실용적인 응용에 적용하려는 시도가 많았지만, 우리가 직면한 문제처럼 성능 개선을 위해 회로 개발, 하드웨어 설계, 소프트웨어 프로그래밍, 회로와 초음파 트랜스듀서 칩의 통합 등 여러 부분에서 함께 개발이 필요하다. 그러나 우리가 수행한 연구는 미세 초음파 트랜스듀서의 성능을 개선하려는 시도를 제시했을 뿐만 아니라, 현재의 생체의료 응용에 미세 초음파 트랜스듀서의 장점을 기반으로 한 적용 가능성도 제안하였다. 향후 연구에서는 우리가 개발한 시스템이 세포 치료법에 사용할 수 있는 1차 세포에 적용될 수 있는지 실용적인 연구로 검증할 예정이다. 또한, 이미징 응용을 위해, 우리는 개발된 공정과 경험을 바탕으로 3D 부피 이미징 시스템에 적용할 계획이다. 이러한 연구를 바탕으로 개발된 트랜스듀서와 이와 관련된 기술이 기존에 기술의
장벽에 막혀 실현되지 않던 치료법 및 의료기기를 개발하는 원천기술이 되길 바라며, 국민의 삶의 질 향상 및 경제적 발전에 기여할 수 있기를 바란다. |Ultrasound technology is an indispensable part of modern society and our lives, profoundly impacting healthcare, industry, biomedical and robotics. Its advantages in non- invasive nature and safety allow biomedical research to visualize microvascular or internal organs, real-time monitoring integrating with robotic systems including exoskeletons and neuromodulation. As demands on miniaturization and high-frequency operation of transducers for advancing biomedical applications, conventional transducers face limitations due to size constraints and incompatibility of integration with electronics. In this respect, piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUTs) is ideal solution for biomedical applications demanding both miniaturization with high fill-factor array and high-resolution imaging or targeted therapy. Although pMUT has great potential in various applications, the output performance below expectations has been a stumbling block. In this dissertation, the biomedical application using pMUT was suggested based on its improved performance. Firstly, the strategy of performance enhancement of pMUT with various etching holes was suggested. The structural modification using etching holes were adopted to modify boundary condition and stiffness of membrane resulting in changes of vibrational characteristics (displacement, effective area and resonance frequency). The proposed pMUT with fin-shaped etching holes resulted in increasement of transmitted pressure via enhancing displacement at the center of membrane and effective area without significant changes in resonance frequency. The pMUTs with various etching holes demonstrated that structural modification to improve performance might be considered by the membrane structure and structural variables. Secondly, the pMUT-based ultrasound imaging transducer has been developed. The 1-D pMUT array via wafer-bonding process was fabricated as a highly uniformed pMUT elements in array and small pitch-size. The acoustic pressure of fabricated pMUT showed sufficient acoustic level to use in ultrasound imaging applications. The pMUT-based ultrasound imaging system has been shown to be capable of acquisition of ultrasound images to hundreds of micrometers in size and real-time imaging. Finally, the pMUT-based cell stimulation system for selective cell differentiation in localized area have been demonstrated. The pMUT array as a miniaturized stimulator generate the acoustic pressure to the cell differentiation in targeted area specifically. The ultrasonically stimulated SH-SY5Y cells was shown the enhancement of neurite lengths than non-stimulated cells. For verification of selectively cell differentiation, the combination of targeted cell delivery technique and pMUT-based localized cell stimulation system demonstrated inducing cell differentiation at the target site. Through these studies, the developed pMUT with enhanced output performance has shown the feasibility of future applications in advanced ultrasound system of diagnosis and targeted therapy. Keywords: pMUTs, Targeted therapy, Ultrasound stimulation, Ultrasound imaging, Miniaturized transducers1. Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Research trends 4
1.2.1 pMUT design for performance enhancement 4
1.2.2 Ultrasound stimulation for neurodegnerative disease 10
1.2.3 pMUTs for ultraosund imaging 15
1.3 Objectives of research 18
2. Surface micromachined pMUT for enhancement of transmission performance 20
2.1 Introduction 20
2.2 Experimental sections 23
2.3 Results & Discussion 27
2.3.1 Development of surface micromachining process 27
2.3.2 pMUTs for ultraosund imaging 32
2.4 Conclusion 43
3. 1-D pMUT array for ultrasound imaging with synthetic aperture 44
3.1 Introduction 44
3.2 Result & discussion 47
3.3 Conclusion 58
3.4 Materials & methods 59
4. Localized ultrasonic stimulation using pMUT array for selective neural differentiation of magnetic cell-based
robots 63
4.1 Introduction 63
4.2 Result & discussion 67
4.3 Conclusion 80
4.4 Materials & methods 81
5. Conclusions & Future work 87
5.1 Conclusions 86
5.2 Future work 90
5.2.1 Targeted stem cell differentiation by ultrasound stimulation for reconstruction of neural
network 90
5.2.2 Fabrication of 2-D pMUT array for volumetric imaging 92
ACKNOWLEDGMENT 95
PUBLICATION LIST 97
REFERENCE 100
요 약 문 107DoctordCollectio
옥심 리간드를 이용한 이리듐 촉매 기반 방향족 아마이드의 오쏘선택적 보릴화 반응
No full textC-H borylation, ortho-selective C-H activation, oxime ligandOrganoboron compounds are widely used in various fields, including as intermediates in organic synthesis reactions like the Suzuki-Miyaura reaction. Recently, several drugs containing boron have also been developed. The first anticancer drug in this field, Bortezomib, can be used to treat multiple myeloma, and recently approved antifungal drug Tavaborole and anti-eczema drug Crisaborole also incorporate boron. Due to their versatile applications, there has been significant interest in developing convenient methods for synthesizing organoboron compounds over the past few decades.
Traditional methods for synthesizing organoboron compounds often require highly reactive reagents or are unsuitable for substrates with base-sensitive functional groups. The development of mild alternative methods has been a challenging issue for the last two decades. Among them, transition metal-catalyzed C-H borylation has made significant progress, offering high yields and selectivity. However, to the best of our knowledge, there have been no reports of ortho-borylation using oxime ligands. Therefore, we investigated the effect of oxime ligands on ortho-borylation reaction using iridium transition metal catalysts.
Typically, synthesizing ortho-borylated products has been limited by the need for a nitrogen, oxygen, silicon based directing group or the use of ligands that are difficult to synthesize. In this study, we successfully synthesized an ortho-borylated product using an oxime ligand, which can be readily transformed into various derivatives. Both ligands bearing an electron-withdrawing or an electron-donating group were investigated and the ortho-borylated product was obtained in moderate yield. Although further research is needed, the optimized conditions gave the high ortho selectivity.|유기 보론 화합물은 매우 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 특히 유기 합성에서 Suzuki-Miyaura 반응을 포함한 여러 반응의 유용한 중간체로도 사용된다. 최근에는 보론을 포함한 많은 약물도 개발되고 있다. 이 분야에서 최초의 항암제인 Bortezomib은 다발성 골수종 치료에 사용될 수 있으며, 최근 승인된 항진균제 Tavaborole 및 항습진제 Crisaborole 또한 보론을 포함하고 있다. 이들의 다양한 응용 덕분에 지난 수십 년 동안 유기 보론 화합물의 합성을 위한 편리한 방법을 개발하는 데 큰 관심이 있어 왔다.
하지만 전통적인 유기 보론 화합물을 합성하는 방법들은 반응성이 높은 시약을 사용해야 하거나 염기에 민감한 작용기가 있는 기질에 적합하지 않은 경우가 많다는 한계를 가지고 있다. 온화한 대체 방법의 개발은 지난 20년 동안 어려운 문제였다. 그중에서도 전이 금속 촉매를 사용한 C-H 보릴화는 높은 수율과 선택성을 제공하며 이 분야에서 크게 발전하였다. 그러나 우리가 아는 한, 옥심 리간드를 이용한 오쏘 보릴화에 대한 보고는 없었다. 따라서 우리는 이리듐 전이 금속 촉매를 사용한 오쏘 보릴화 반응에서 옥심 리간드의 효과를 조사하였다.
일반적으로 오쏘-보릴화된 생성물을 합성하기 위해서는 질소, 산소, 실리콘 기반의 지향기가 필요하거나 합성하기 어려운 리간드를 사용해야 하는 한계가 존재했다. 이 연구에서는, 다양한 유도체로 쉽게 변형될 수 있는 옥심 리간드를 사용하여 오쏘-보릴화된 생성물을 성공적으로 합성했다. 전자 주개 또는 전자 끌개 그룹을 가진 두 가지 리간드가 조사되었고, 오쏘-보릴화된 생성물은 중간 정도의 수율로 얻을 수 있었다. 추가 연구가 필요하지만, 최적화된 조건에서 높은 오쏘 선택성을 보였다.Abstract……………………………………………………………………………………………………… ⅰ
List of Contents……………………………………………………………………………………….…… ⅱ
Ⅰ. Introduction……………………………………………………………………………………………… 1
Ⅱ. Result and Discussions (meta) …………………………………………………………….…… 7
2.1 Ligand preparation……………………………………………………………………………………….…… 7
2.2 Reaction optimizations……………………………………………………………………………………… 9
Ⅲ. Result and Discussions (ortho) ………………………………………………………….…… 14
3.1 Ligand preparation …………………………………………………………………………………….…… 14
3.2 Screening…………………………………………………………………………………………………… 15
3.3 Reaction optimization.……………………………………………………………………………………. 18
3.4 Proposed mechanism ……………………….……………………………………………………………… 23
Ⅳ. Conclusions…………………………………………………………………………………………… 25
Ⅴ. Experimental section……………………………………………………………………………… 26
5.1 General information………………………………………………………………………………………… 26
5.2 Synthesis of oxime………………………………………………………………………….…………….… 27
5.3 Synthesis of hydrogen bond ligand………………………………………………………………….……… 28
5.4 Synthesis of noncovalent bond ligand …………………………………………………….……….……… 32
5.5 Synthesis of ligand (ortho borylation)…………………………………………………………………….… 34
5.6 Synthesis of reference product……………………………………………………………………………… 38
Ⅵ. Reference…………………………………………………………………………………………… 40
국문요약문………………………………………………………………………………………………… 44MasterdCollectio
리튬이온 배터리의 열 분석을 위한 마이크로 구조기반 모델링 및 시뮬레이션
No full textthermal analysis, thermal runaway, microstructure-based modeling, simulation, lithium-ion batteriesAs lithium-ion batteries (LIBs) increased the usage in electric vehicles (EVs) and larger vehicles, the need for effective thermal management to prevent thermal runaway (TR) is growing especially beyond the module level. Particularly in large-scale applications, monitoring and analyzing the thermal behavior of entire cells experimentally has significant challenges and risks, including potential fire or explosions. Thus, simulation method has emerged as a powerful method which can even analyze the thermal behavior inside the cell in real- time. In this regard, we would like to propose the novel method that can analyze the electrochemical and thermal behavior at cell-to-module scale for an unmanned railway robot using five pouch cells in series (8.8 Ah/18.5 V). The module was assessed experimentally under various discharge rates (0.1, 0.5, 1, 3, and 5C) at 25°C, also evaluated with simulations. Unlike the traditional lumped model that represents cell structures simply as boxes, our simulation approach utilized a 3D microstructure-based digital twin model incorporating the stacks and tabs connections within the cells, considering multiple physical phenomena. Comparing the simulated results with experimental data demonstrated that our digital twin model achieved over 97% consistency, highlighting its necessity for accurate TR prevention simulations. Additionally, under a high discharge condition of 10C, the lumped model predicted a maximum temperature of only 123°C, whereas the digital twin model predicted 137°C, underscoring the digital twin model’s importance for precise thermal analysis. Lastly, from a practical standpoint, two types of railway driving patterns were applied to both the digital twin model and the lumped model for evaluation.
|리튬 이온 배터리(LIB)가 기존의 전기차를 넘어 전기 트럭과 트램 같이 더 무거운 운송수단의 파워소스로 광범위하게 적용되면서, 모듈 또는 팩 수준에서의 LIB 시스템의 정교한 열 관리가 점점 더 중요해지고 있다. 특히 모든 LIBs의 열 거동을 동시에 정확히 관리하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, LIB 모듈 또는 팩 단위의 열-전기화학 모델링과 시뮬레이션이 열 폭주를 분석하고 방지하는 데 필수적인 방법으로 떠오르고 있다. 그러나 열-전기화학 모델로 기존에 많이 사용되고 있는 Lumped model은 LIB 셀 내부의 열 거동을 정확히 분석하기 어려워 시뮬레이션 결과와 실험 간에 차이가 발생해 높은 신뢰성을 기대하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 논문에서는 셀 내부 구조를 정교하게 반영한 새로운 모델링 방법(Microstructure-based digital twin modeling method)을 통해 셀 내부의 열 거동을 정교하게 모사할 수 있게 했다. 모듈 단에서 본 모델링 기법의 우수성을 입증하기 위해, 무인 철도 차량용 8.8 Ah/18.5 V 배터리 모듈(5개의 리튬 이온 파우치 셀 직렬구성)을 개발 후 평가하였다. 모델링 방법의 경우, LIB 셀 내부 구조를 정교하게 반영한 후 multi-physics(P2D electrochemical, 3D current distribution, 3D thermal physics)를 적용하여 셀 내부의 열적 거동을 정밀하게 분석할 수 있게 했다. 그 결과, 우리의 디지털 트윈 모델은 기존 모델과 달리 셀 내부의 불균일한 온도 분포를 정교하게 모사하였을 뿐만 아니라, 셀 내부의 국부적인 최대 온도를 예측하여 열 폭주의 위험성으로부터 안전한 가이드 라인을 제시할 수 있게 되었다.Ⅰ. Introduction 1
Ⅱ. Experiments & numerical method 3
2.1 Thermo-electrochemical evaluation of cell and module 3
2.2 Thermal behavior evaluation 5
2.3 Parameter mining and numerical method 6
III. Results & discussion 14
Ⅳ. Conclusion 24
Ⅴ. References 25
Summary in Korean 30MasterdCollectio