▲ Planar Hall resistance of NiFe/IrMn bilayer depending on temperature obtained when the magnetic field sweep direction is upward. Inset; Schematic illustrations for NiFe/IrMn bilayer structure and planar Hall measurement configuration.

평면 홀 효과(Planar Hall Effect, PHE)는 비등방성 자기저항효과보다 낮은 오프셋 전압과 높은 신호 잡음비 등의 장점을 가지고 있어서 바이오 자기 신호와 같이 아주 약한 자기장 신호를 측정하는 센서로 이용되고 있다. 교환바이어스는 자화의 회전을 180°로 제한하여 자기장의 세기 변화(sweep) 방향에 따른 평면 홀 효과의 반전을 없애고, 자기장 센서의 신뢰도를 높이는 역할을 한다. 평면 홀 효과에 있어서 아주 중요한 역할을 하는 교환바이어스가 온도에 따른 변화가 강자성체 NiFe/반강자성체 IrMn 겹층구조 박막에서 어떤 영향을 미치는지 조사하였다.

평면 홀 저항의 최대값(\(\small \Delta\)PHR_max)이 \(\small \Delta \rho\)(자기장의 방향이 전류에 평행할 때와 수직할 때의 저항의 차이)에 비례한다. 평면 홀 저항의 최대값은 외부자기장의 세기(\(\small \Delta\)H_p)가 총 자기 비등방성(MA_total)에 해당한다는 성질을 이용하여 간접적으로 구할 수 있다. 각각의 온도에서 음에서 양의 자기장 sweep에서 얻은 \(\small \Delta\)PHR과, \(\small \Delta\)PHR 곡선에서의 \(\small \Delta\)PHR_max와 \(\small \Delta\)H_p 위치를 그림에 나타냈다. 상온에서 100 K 사이 구간에서 온도에 따른 \(\small \Delta\)PHR_max 증가가 \(\small \Delta\)H_p보다 크기에 평면 홀 효과의 자기장 센서로서의 성능을 의미하는 감도, 즉 기울기(\(\small S\)_PHE)가 증가하는 양상을 보인다. 반면에, 3 K에서의 경우 \(\small S\)_PHE의 급격한 감소는 MA_total의 급격한 증가에 의한 것이며, 이것은 온도에 따른 자기 이력 곡선으로 확인하였다. 저온에서는 IrMn과 같이 망간을 포함한 반강자성에서 나타나는 스핀 글라스와 같은 특이 현상으로 인해 교환바이어스가 급격히 커지고, 그 결과, 평면 홀 효과의 기울기가 급격히 감소한다. 평면 홀 효과와 센서 감도를 결정하는 중요한 요소인 교환바이어스와 자기 비등방성에 대한 우리의 근본적인 연구는 더욱 성능이 좋은 평면 홀 센서를 디자인하는데 도움을 주리라 기대한다.

졸-겔법으로 성장한 Mg_xZn_1‒xO:In 박막의 전구체 농도에 따른 물성 연구

최효진, 이민상, 김홍승, 안형수, 장낙원, New Physics: Sae Mulli 72, 429 (2022).

본 논문은 자외선 발광 다이오드와 전력반도체 등에 사용 가능성이 있는 광대역 반도체 재료인 MgZnO의 물성에 대한 주제로 사파이어 기판에 성장 MgZnO:In 박막의 In과 Mg 전구체의 농도에 따른 물성 변화를 연구하였다. ZnO는 Zn–O 결합 분리 에너지가 250 kJ/mol로 비교적 낮아 ZnO의 합성이나 박막 형성 시 산소 공공이 쉽게 형성이 된다. 반면 Mg–O 결합 분리 에너지는 358.2 kJ/mol로 크기 때문에 산소 공공 형성을 억제할 수 있다. 따라서 MgZnO가 형성되는 경우 산소 공공 감소로 비저항이 크게 증가한다. 이때 비저항을 낮추기 위해 3족 원소인 In을 전하 운송자인 전자를 제공할 수 있는 불순물인 도우너로 사용했다.

MgZnO:In 박막은 용액 기반의 졸-겔법을 이용했으며, In은 1,5,10 mol%, Mg은 5, 15, 30 mol%로 변화하며 총 9가지 샘플로 실험을 진행하였다. 성장된 박막의 특성은 XRD, UV-vis, Hall effect 등을 이용하여 분석하였다. 특히, 성장된 박막의 비저항 변화와 산소 결합 상태의 연관성을 확인하기 위해 XPS로 O (1s) 결합 에너지를 측정했다.

그림에서 붉은 선 O_I은 결정 구조 내 O²⁻ 이온과 금속 이온(Zn, Mg, In)과의 결합 에너지를 나타낸다. 파란 선 O_II는 산소 공공에 의한 결합 에너지이며, 자홍색의 O_III는 –OH와 같은 결합 에너지를 나타낸다. 따라서 O_II 대비 O_I 비율을 통해서 산소 이온과 산소 공공의 비율을 확인할 수 있고, 그 값이 크면 산소 공공의 수가 적고 산소 결합 이온이 많다는 의미이며 값이 작은 경우는 산소 공공이 상대적으로 많다는 의미이다.

그림에서 얻은 각 조건에 대한 시료의 O_I/O_II 비는 (a) 2.43, (b) 2.29, (c) 3.32 그리고 (d) 1.51이다. In의 함량이 1 mol%일 때, Mg의 함량이 5 mol% 에서 30 mol% 첨가 시 O_I/O_II은 2.43에서 2.29로 감소하였으나, 큰 차이는 아니었다. 반면 In의 함량이 10 mol%로 증가하면 Mg의 함량이 5 mol%일 때 3.32에서 30 mol% 첨가하면 1.55로 크게 감소하는 결과를 보였다. 따라서 In의 함량이 적을 때에 비해 In의 함량이 클 때 Mg의 함량의 변화에 따라 산소 공공의 비율이 크게 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 첨가하는 In의 양이 증가할수록 Mg의 산소 결합 반응을 방해하는 경향이 있음을 확인할 수 있었다.

‘소리의 전달 과정’에 대해 초등 과학영재 학생들이 구성한 과학적 그림의 설명 유형과 표상 수준 분석

장진아, 박준형, 박지선, New Physics: Sae Mulli 72, 456 (2022).

학생들이 그림을 통해 과학적 설명을 구성하는 활동은 교수학습 측면에서 여러 장점이 있다. 먼저, 과학 그리기 활동은 학생들의 과학적 추론을 촉진시킨다. 과학 개념은 언어적 의미로만 구성되지 않으므로, 언어적 상호작용만을 통해 현상을 설명하여 추론을 이끄는 것은 한계가 있다. 이미지, 다이어그램, 그래프 등과 같은 시각적 표상 또한 과학적 개념이나 과학적 모델 형성의 중요한 부분으로서, 학생들이 과학적 설명을 시각적으로 구성하면서 대상의 크기나 위치, 방향 및 공간적 요소에 대한 구체적인 사고를 이끄는 시각적 추론(visual reasoning)을 촉진할 수 있다. 더불어 과학 그리기 활동은 과학적 의사소통과 참여를 촉진할 수 있다. 과학자들이 자신의 생각을 다른 과학자나 대중들에게 명확히 전달하기 위해 시각적 표상을 구성하듯, 학생들도 자신이 가진 개념을 그림으로 표현하면서 생각을 더 명확하게 하고 교사나 다른 학생들과 소통할 기회를 갖는다.

이러한 맥락에서 본 연구는 소리의 전달 과정에 대한 학생들의 개념적 이해를 돕기 위해, 초등학교 5‒6학년 영재 학생들이 구성한 과학적 그림의 특징을 분석하였다. 학생들은 소리굽쇠의 소리가 우리의 귀까지 전달되는 과정을 그림으로 설명하였다. 눈에 보이지는 않지만 소리 전달 과정의 핵심 요인인 ‘공기입자’와 ‘공기입자 간의 상호작용’을 중심으로, 학생들의 그림들을 유형화하고 각 그림 유형에서 시각적으로 표현된 소리 전달의 개념적 특징을 분석하였다. 분석 결과, 공기입자 간의 충돌은 나타내었지만 충돌로 인해 공기입자가 소리의 전파방향으로 앞뒤로 진동하는 것을 개념화하지 못한 유형이 가장 많았다. 예를 들어, 공기 입자의 진동을 입자 자체의 떨림으로 표현하거나, 공기입자들이 말 그대로 물건 건네듯 진동을 전달하는 모습을 표현한 사례도 발견하였다. 영재 학생이라고 할지라도 기체의 압력과 기체 분자들의 충돌 사이의 관계를 스스로 추론해 내기는 어려울 수 있음을 고려할 때, 본 연구의 결과는 소리의 전달 과정과 관련하여 아직 정교하게 발달되지 않은 학생들의 대안개념에 대한 기초 자료로서, 초등학교에서 중학교 사이의 학생들이 지닐 수 있는 대안개념의 사례와 특징에 대한 이해의 폭을 넓혔다는 점에서 의미가 있다.