물체의 운동에 대한 개념을 처음 학습할 때 일상생활에서 일어나는 현상과는 달리 공기 저항이나 마찰이 없는 경우를 먼저 학습하고, 탐구활동으로는 공기 저항이나 마찰이 가장 작은 방법으로 실험을 설계한다. 하지만 공기 저항이나 마찰이 존재할 때 물체의 운동은 해석학적으로는 학습할 수 있지만 탐구활동을 하기는 어렵다. 속력에 비례하는 항력을 물체에 작용시키기 어렵기 때문이다. 자기장이 존재하는 공간에서 운동하는 도체에는 유도 기전력으로 인한 유도 전류가 흐르고, 이 유도 전류로 인해 도체에 자기 부상력과 자기 항력이 작용한다. 자기 항력은 도체의 속력에 선형 비례하며 자기 제동현상을 발생시킨다. 본 연구에서는 자기 제동 현상이 발생하는 도체의 각속도를 측정, 분석하는 탐구활동을 제안하였다. 일선 학교 또는 대학의 학부 실험실에서는 자기장의 세기와 모양을 제어할 수 있는 전자석을 사용하는 데 어려움이 있기 때문에 시중에서 구할 수 있는 영구 자석을 이용하였다. 도체판이 회전할 때 기계적인 저항이 최소화 되도록 회전 축에 베어링을 사용하였고, LED와 CdS 센서, 오실로스코프를 이용해 각속도를 측정하였다. 자기장 내에서 운동하는 도체 판이 받는 자기 항력은 자기장 세기의 제곱, 자기장의 면적, 도체의 두께와 전기전도도, 그리고 자기장 영역 안팎의 도체 전기 저항의 비로 정의되는 계수에 영향을 받는다. 원형 도체 판에 두 종류(원형, 정사각형 모양)의 자석을 각각 가까이 가져가 도체에 자기 항력을 발생시킨 후 각속도의 변화를 분석하였다. 자기장 세기(\(\small B\))는 도체 판과 자석 사이의 거리를 다르게 해서 조정하였고, 이때 도체 판 위에 형성된 자기장의 면적은 거리의 제곱에 비례하기 때문에 거리에 따라 면적이 변하는 정도를 나타내는 면적 계수(\(\small c\))를 전기 저항의 비로 정의되는 계수를 이용해 결정하였다. 속력에 비례하는 항력이 물체에 작용할 때 속력이 줄어드는 정도를 나타내는 시상수(\(\small t\))의 역수가 자기장의 제곱에 면적 계수를 곱한 값(\(\small cB^2\))에 비례함을 탐구활동 분석 결과로 보였다.(그림)

주사 전자 현미경과 결합한 수정진동자 원자힘 현미경 개발

사재훈, 최형국, 안상민, New Physics: Sae Mulli 75, 180 (2025).

원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)은 높은 다용성과 3차원 표면 정보를 제공하는 능력 덕분에 다양한 표면 분석 연구에서 널리 활용되고 있다. 특히, 수정진동자(Quartz Tuning Fork, QTF) 기반 원자힘 현미경은 측정에 있어 광학적 요소가 필요 없고, 비교적 간단한 전자 회로를 통해 고감도의 측정을 가능하게 하기에 진공 환경 등의 다양한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있다는 장점을 갖는다. 한편, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 넓은 시야에서 고배율로 좁혀 가며 신속하게 고해상도 이미지를 획득하는 능력이 뛰어나 미세 구조 분석에 필수적인 도구로 자리 잡고 있다.

본 연구에서는 QTF-AFM과 진공환경에서 측정되는 SEM과 결합한 하이브리드 QTF -AFM+SEM 시스템을 개발하였고(그림), 이 초기 실험에 해당되는 시스템에서 진공 및 전자 빔 노출된 수정진동자의 거동을 분석하였다.

실험 결과, 대기압에서 진공 환경으로 전환될 때 수정진동자의 품질 계수(Q-factor)가 증가하는 경향이 확인되었으며, 전자 빔과의 상호작용 시 공진 주파수 진폭이 소폭 감소하지만 시간이 지나면서 안정화됨을 관찰하였다. 또한, 공진 주파수의 위상 변화는 크지 않아 전자 빔이 수정진동자의 동작에 미치는 영향이 제한적임을 확인하였다. 이를 통해, QTF 소자가 하이브리드 SEM 장비의 탐침으로 활용 가능함을 실험적으로 입증하였다.

이번 연구는 SEM의 고해상도 이미지 획득과 동시에 AFM의 3차원 표면 분석 기능을 결합하여, 기존 단일 장비의 한계를 극복할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 이를 통해 나노 및 재료 과학 분야에서 보다 정밀하고 다양한 표면 분석이 가능할 것으로 기대된다. 향후 본 연구진은 하이브리드 SEM 시스템을 활용하여 강유전체에 전자 빔(E-beam)을 조사할 때 전자 주입에 의해 발생하는 물리적 변화를 심층적으로 연구하고자 한다. 이를 통해 전자 주입이 강유전체의 전기적 및 구조적 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 차세대 나노소자 개발에 기여할 수 있는 새로운 연구 방향을 제시할 예정이다.