최근 다양한 방법으로 자성체 박막의 자기 이방성을 조절하는 연구들이 보고되었다. 그 중에는 이온 밀링을 이용하여 표면처리를 하거나 기판을 열처리하여 기판의 표면 형상을 조절하여 형태 자기 이방성을 조절하는 방법이 있다. CoFeB는 강자성 물질로 자화용이축에서 비교적 작은 보자력을 가지며 자화 곤란축에서는 강한 외부 자기장 하에서 포화되므로 단축 자기 이방성을 관찰하기에 용이하다.

본 연구에서는 CoFeB 자성체 박막을 DC 스퍼터링 방법을 이용하여 3° 미스컷된 (0001) Al₂O₃ 기판 위에 제작하여 표면 형상에 따른 형태 자기 이방성에 대해 연구하였다. CoFeB 자성체 박막은 나노선 형태의 테라스 모양으로 성장됨을 확인하였고 자기-광 커 효과 측정을 통하여 평면 내 자기장의 방향에 따라 자기이력곡선의 뚜렷한 차이를 확인하였다.

두 개의 스텝-테라스 기판을 테라스의 방향이 서로 수직이 되도록 증착 쳄버에 장착하고 CoFeB 박막을 제작했을 때, 각 시료의 자화 용이축이 서로 90°가 되는 것을 확인하였다. 또한 외부 자기장의 방향이 변함에 따라 자화 용이축과 자화 곤란축이 180° 주기를 갖는 단축 자기이방성을 확인하였다.

또한 CoFeB 박막의 두께를 테라스 높이의 약 20배까지 증가시켜도 스텝-테라스 형상을 유지하였으나 형태 자기 이방성에 의한 효과는 감소하였다. 평탄한 기판과 스텝-테라스 기판에 대해 CoFeB 증착 전후의 변화(그림)를 비교분석하여 스텝-테라스 CoFeB 박막에서 표면 형상에 기인하는 형태 자기 이방성 에너지는 증착 과정에서 생기는 다른 요인에 의한 자기 이방성 에너지보다 약 2.5배 크다는 것을 알 수 있었다.

FED (Field emission display)는 낮은 구동 전압과 저전력소비, 그리고 얇은 두께 등 장점이 많아, 평판 표시 소자나 진공 전자 소자로의 활용을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그리고 전계 방출의 음극 재료로는 주로 실리콘이나 몰리브덴을 뾰족한 형태로 가공한 배열을 사용한다. 하지만 이들 재료로 제작된 tip을 사용하는 경우, 잔류 가스에 의한 back sputtering에 의해 tip이 손상되는 경우가 많으며, 재료 물질과 잔류 가스의 화학적 반응에 의해 전자방출 성능의 저하와 안정성 문제가 발생한다. 따라서 비교적 단단한 SiC, 다이아몬드 또는 다이아몬드성 카본을 음극 재료로 사용하면, 기계적 특성이 우수하여 back sputtering에 의한 tip 손상을 줄일 수 있고, 화학적 안정성, 높은 열전도도 등 우수한 물리화학적 특성으로 인해 음극의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한 침상형태인 탄소튜브를 성장시켜 전계 방출 소자로 사용하는 연구도 진행되고 있다. 탄소 튜브를 전계 방출소자로 사용하는 경우 기존 전계 방출 소자와 같이 tip의 형태로 제작할 필요가 없으므로 제작공정을 단순화할 수 있다. 하지만 탄소 튜브의 형성에 있어서 증착 기판에 Ni, Co와 같은 전이금속을 증착해야만 이들 전이금속이 island를 형성하여, 이것이 증착 과정에서 지속적인 성장을 유지할 수 있는 촉매 역할을 하기 때문에, 전처리과정에 전이금속의 증착이 있어야 한다.

본 연구에서는 Ni을 coating하지 않은 Si 기판에 바이어스를 인가하여 기존의 다이아몬드 결정입자가 아닌 탄소 튜브와 유사한 whisker 형태의 탄소 박막을 증착시켰다. 바이어스 전압이 높아짐에 따라 whisker의 형태가 가늘고 길어지는 경향을 보였으며 CH₄ 농도와 기판온도가 증가할수록 whisker의 지름이 커지는 현상을 나타내었다. Raman 스펙트럼을 분석한 결과 whisker의 구성성분은 흑연임을 확인하였다. 또한 NH₃를 첨가한 결과 whisker의 성장률이 증가하였고 매우 뾰족한 원뿔의 형태로 성장함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 NH₃로부터 분해된 N이 다이아몬드의 생성과 성장을 억제시키고 인가된 바이어스는 비정질 탄소를 흑연으로 석출시키기 때문이다. 이렇게 증착한 whisker를 전계 방출 소자로 사용한 경우 그 구성성분이 흑연이며 형태가 침상 또는 원뿔의 형태이므로, 높은 전도성과 종횡비로 인해 구동전압이 낮아지고 방출 전류가 증가하는 등 좋은 전계 방출 특성을 가짐을 확인할 수 있었다(그림).

태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 결정질 실리콘 태양전지는 에너지 효율이 높아 널리 상용화되고 있지만 제조 단가가 높은 단점이 있다. 따라서, 저가이면서 고효율을 나타내는 실리콘 기반 태양전지 제작이 필요하다.

다공성(porous) 실리콘은 넓은 광 흡수 및 에너지 띠(band gap) 확대와 같은 이점으로 인해 태양전지 응용분야에서 매력적인 물질이다. 그래핀 투명 전도성 전극(transparent conductive electrode, TCE)은 가시광 영역에서의 높은 광학적 투명성 및 일함수 조절의 용이 등 우수한 특성 때문에 태양전지 소자의 투명전도성 전극으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 그래핀과 다공성 실리콘 융복합을 통한 태양전지의 가능성이 제안되었다. 그럼에도 불구하고, 그래핀/다공성 실리콘의 낮은 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height)로 인해 누설 전류(leakage current)가 발생하여 결정질 실리콘 태양전지보다 효율이 크게 저하된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 그래핀과 다공성 실리콘 사이에 초박막 절연층인 육각형 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 삽입하여 캐리어 재결합(carrier recombination)을 감소시킬 수 있었다.

본 연구에서는 그래핀/다공성 실리콘 태양전지를 제작하고 육각형 질화붕소 절연층의 존재 유무에 따른 광전지 파라미터들의 상호관계를 분석하였다.

▲일반 상대성이론 논문에 나타난 보편성 추구 과정의 특징.

일반적으로 과학은 보편적 진리나 법칙을 추구하는 특성을 가지고 있다. 이에 따라 과학교육에서는 이러한 과학의 본성을 가르치는 교육을 강조해왔다. 그럼에도 불구하고 소위 ‘보편성(universality)’이 실제 과학 지식의 형성 과정에서 어떤 식으로 추구되었고, 그 특징이 어떠한지를 살펴본 연구는 찾아보기 어렵다. 본 연구는 아인슈타인의 대표적인 논문 세 편 - 일반 상대성이론(1916년), 특수 상대성이론(1905년), 광전 효과(1905년) - 을 분석하여 물리학에서 보편성을 추구하는 과정의 특징이 어떠한지 살펴보았다.

아인슈타인의 논문 속에 담긴 보편성 추구 과정의 특징은 목적, 내용, 방식 면에서 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 보편성의 추구는 기존 물리지식이 지닌 결함이나 모순에서 오는 불편함으로부터 시작된다(Why). 즉, 아인슈타인은 기존의 물리지식(고전역학 및 전자기학)에 내재되어 있는 비정합성 또는 결함을 드러내고 이를 극복하고자 하는 목표를 제시하였는데, 이것이 보편적 이론이 형성되는 중요한 동인이었다.

둘째, 보편성의 구체적인 내용(What)은 좌표계와 무관한 물리법칙, 좌표계와 무관한 불변량, 적용 대상과 무관한 물리법칙으로 구분된다. 좌표계와 무관한 물리법칙은 관찰자의 운동 상태와 관계없이 물리법칙은 동일해야 한다는 것으로 이는 일반 상대성이론에서는 일반공변성(general covariance)으로, 특수 상대성이론에서는 상대성원리로 정식화된다. 좌표계와 무관한 불변량(invariant)을 추구하는 것은 관찰자에 따라 변하지 않는 물리량에 대한 것으로 상대성이론에서 시공간 간격과 광속 불변, 텐서의 사용 등으로 표현된다. 적용 대상과 무관한 물리법칙을 추구한다는 것은 하나의 물리법칙이 다양한 영역에 동일하게 적용되어야 한다는 것을 표현한 것으로 이는 아인슈타인의 세 편의 논문에서 공통적으로 발견할 수 있는 보편성의 특징이다.

셋째, 보편성을 추구하는 방식(How)은 기존 물리지식의 결함을 지적하는 것, 기존 물리지식 중에서 보편적으로 존중받아야 하는 것을 수용하는 것, 새로운 주장이 누구나 자연스럽게 받아들일 만한 보편적인 주장이 되도록 하는 것 등으로 구분된다는 것을 확인할 수 있었다(그림 참조).