SrBi₂Ta₂O₉ 강유전체 박막의 전류-전압 특성

배상보, 김환민, 김일원, New Physics: Sae Mulli 74, 263 (2024).

최근 전자 산업이 급속도로 발전됨에 따라 강유전체 박막이 첨단 산업의 핵심 부품으로 사용 빈도가 높아지고 있으며 전자 부품들의 극소화 요구로 MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)와 센서(sensor) 등에 사용될 수 있는 우수한 기능을 가진 박막 소자들이 요구되고 있다. 이와 같은 강유전체 박막을 전자 기기에 응용하기 위해서는 다양한 DC 바이어스 전압에 따른 누설 전류 변화를 측정하고 전도 구조를 이해하는 것은 중요하다. 누설 전류의 전도구조는 금속과 강유전체 경계면에 형성되는 장벽 높이의 크기와 폭에 의해 결정된다. 강유전체 박막에서 전류-전압 의존성은 상호 확산층, 산소 결핍 층, 누설 전류 등의 문제 때문에 그 구조가 복잡하다. 본 연구는 Pt 기판 위에 Bi/Sr 조성비가 다른 SBT (SrBi₂Ta₂O₉) 박막을 PLD 방법으로 Bi/ Sr 조성비가 2.8, 3.4인 강유전성이 우수한 SBT 박막을 증착한 후 DC 바이어스 변화에 따른 누설 전류의 특성을 조사하였다.

그림 (a)는 Bi/Sr 조성비에 따른 SBT 박막의 P-E 이력곡선을 나타낸 것이다. Bi/Sr 조성비가 증가할수록 잔류분극 값이 증가하는 경향을 보였다. Bi/Sr 조성비가 2.8, 3.4인 SBT 박막은 (115) 방향으로 우선 성장하여 Bi 이온이 Sr 자리에 치환된 후 산소와 공유 결합을 하면서 a-b축 방향으로 Bi 이온이 Sr보다 더 크게 변위되기 때문이다. 80 kV/cm 이하의 낮은 인가전기장에서 SBT 박막의 누설 전류는 지연시간에 강하게 의존하는 저항성 전류 특성을 나타내었으며 Bi/Sr 조성비가 2.8 이하인 경우 누설 전류가 급격히 증가하였는데 이 현상은 Bi 이온이 공간 전하 형태로 전도운반자의 역할을 하였기 때문이다. SBT 박막의 온도가 150^◦C 이하일 때 80‒200 kV/cm의 인가전기장에서 전류-전압은 Schottky barrier height과 activation energy 전도 모형과 일치하는 선형적 특성을 나타내었으며 150^◦C 이하의 온도에서 전압이 3 V 인가되고 지연시간이 10초와 100초일 때 Bi/Sr 조성비가 2.8인 SBT 박막의 activation energy는 그림 (b)와 같이 0.58 eV, 0.72 eV이었다.

양자물리교육: 한국과 독일의 교육과정 및 교과서 비교

Andreas Woitzik, Tae-Gyound Lee, Nam-Hwa Kang, New Physics: Sae Mulli 74, 286 (2024).

교육과정은 당시의 학문과 사회적 조건을 반영한다. 최근 양자기술의 활용이 확대되면서 양자물리 분야에 사회적 관심이 모아지고 있다. 이와 함께 유럽을 중심으로 고등학교 교육과정에 양자물리 내용을 증가하고, 학생들이 효과적으로 학습할 수 있게 도울 수업 방안 등에 관한 연구가 증가하고 있다. 이에 본 연구에서는 유럽에서 고등학교 양자물리 교육 연구가 많이 이루어진 독일의 고등학교 양자물리 교육을 한국의 고등학교 수준의 양자물리 교육과 비교하여 추후 중등 수준의 양자물리 교육의 효과를 높이기 위한 시사점을 얻고자 하였다. 이를 위해 본 연구에서는 양국의 교육과정에서 양자물리 내용을 비교하고, 교육과정을 학교 교실에서 실현하는 데 가장 큰 영향을 미치는 교과서를 비교 분석하였다. 독일은 연방정부 체제로 국가 교육 표준이 있고, 이를 중심으로 주정부에서 교육과정을 제시한다. 이에 본 연구에서 비교한 독일의 교육과정은 우리나라 교육과정과 그 개정 시기가 유사한 Baden-Württemberg의 교육과정을 선정하여 비교하였다. 우선 독일의 학교 체제는 한국과 다르다. 독일은 4년의 초등학교 이후 5년의 직업학교, 8년의 대학 진학을 목표로 하는 중등학교, 그 중간인 6년 과정의 학교가 있다. 이 중 우리나라의 인문계 고등학교와의 비교를 위해 독일의 8년제 중등학교의 물리 교육과정과 비교하였다. 우선 교육과정의 비교를 위해 고등학교 물리교과의 구조와 물리 수업에 배정된 물리 수업 시간을 비교하였다. 독일에서는 학생들이 이공계 진학에 관심이 있는 경우 물리 과목을 전공이나 부전공으로 선택하여 고 2, 3학년 2년간 이수한다. 전공과 부전공의 차이는 수업 시수와 졸업 시험 선택 여부이다. 전공으로 선택하여 이수하는 경우는 고등학교 졸업 시험 과목으로 물리를 선택하고, 매일 1차시(45분)씩 2년간 물리 수업을 이수한다. 부전공으로 물리를 이수하는 경우는 천문학 강조와 양자물리 강조로 나뉘는데 일주일에 3차시씩 2년간 이수한다. 한편 한국의 경우 2022 개정 교육과정에서 선택 교과로 물리학, 역학과 에너지, 전자기와 양자, 고급물리학이 각각 4학점(50분씩 일주일에 4차시, 16주)이 배정되었다. 이를 배경으로 양자물리 수업에 투입되는 시간을 비교한 결과 독일은 전공 선택으로 물리를 이수하는 경우 총 38시간, 부전공으로 이수하는 경우는 총 23시간으로 산정되었고, 한국의 경우 물리학에서 9시간, 전자기와 양자 교과에서 19시간, 고급물리학에서 7시간으로 산정이 되었다. 독일에 비해 우리나라는 보다 적은 시간이 양자물리 수업에 할애된다고 볼 수 있다. 교육과정 내용의 비교에 있어서 두 나라의 교육과정은 2022년 교육과정 개정에서 모두 양자물리의 내용을 증가하였다. 독일은 한국보다 더 많은 개념을 새로 포함하였고, 그중 제2 양자도약과 관련된 개념도 포함되었다(예, 얽힘). 한국의 증가된 내용은 기초 개념을 추가하여 고전적인 양자물리 내용을 심화하는 데 그치는 것으로 드러났다. 또한, 독일의 경우 양자물리의 강조점이 양자물리의 본질과 고전역학과의 관점의 차이를 이해하는 것인데 반해, 우리나라의 경우 양자물리 개념과 관련된 기술적 응용의 이해에 강조점이 있었다. 교과서 비교는 독일의 2개 교과서와 한국의 3개 교과 7개 교과서를 비교하였다. 공통으로 다루어진 내용 4개 영역(원자 에너지 준위, 이중성, 불확정성, 확률과 터널효과)과 독일에서만 다룬 얽힘을 분석하였다. 공통된 내용의 경우 그 내용의 차이보다는 접근 방식에서 차이를 보였다. 특히 이중성을 다룰 때 독일은 이중성 용어를 피하고, 상보성을 사용하며 고전적 관점에서 양자 물질을 이해하는 것을 피하려는 노력을 드러냈다. 이는 고전적 해석을 통해 (파동, 입자) 양자 물질을 설명하려는 우리나라의 접근법과 대조를 보인다. 얽힘의 경우 독일의 두 교과서가 다루는 수준에서 차이를 보였으나 중등 수준에서 다룬다는 점은 시사하는 바가 크다. 한편, 교육과정과는 무관하게 양국의 교과서는 양자물리 관련 기술 응용을 많이 소개함으로써 학생들에게 양자물리의 유용성에 대한 메시지를 전하고 있었다.