기호 회귀를 활용한 수학적 모델링 기반 물리 수업이 메타모델링 지식에 미치는 영향 탐색

신은혜, 장진섭, 조정효, 이현주, New Physics: Sae Mulli 75, 433 (2025).

모델링 교육은 과학과 다른 교과를 구분짓는 중요한 특징 중 하나로, 그 중요성은 여러 문헌에서 꾸준히 강조되어 왔다. 그러나 기존 모델링 교육에서는 주로 모델의 생성 과정 자체에 초점을 맞추었기 때문에, 학생들이 ‘왜 모델을 만들어야 하는가’, ‘어떻게 생성된 모델이 의미를 가지는가’와 같은 근본적인 질문에 대해 깊이 있는 이해를 하기는 어려웠다. 한편, 물리교육에서는 수학적 모델링의 중요성이 특히 강조되어 왔다. 이에 본 연구에서는 현상을 수식으로 나타내고, 이를 통해 현상을 설명·예측하는 수학적 모델링에 초점을 두었다. 연구 목적에 따라 주어진 유한한 데이터셋에 대해 가장 적합한 함수의 기호적 형태를 탐색하는 기계학습 알고리즘인 기호 회귀(Symbolic Regression)를 수학적 모델링을 위한 도구로 도입하였다. 학생이 기호 회귀 분석을 통해 데이터에 숨겨진 패턴을 수식으로 도출해봄으로써, 실제 과학자의 연구 관행을 체험해볼 수 있을 것으로 기대되었다.

본 연구는 ADDIE 모형에 따라 기호 회귀를 활용한 물리 수업(Symbolic Regression-integrated Physics Class, SRPC)의 교수 모형을 개발하고, 이를 실제 고등학교에 적용하여 효과를 검증하였다. 그 결과, 수업에 참여한 학생들의 메타 모델링 지식이 향상되었다. 특히 모델의 본성, 수학적 모델링의 목적, 모델의 변동성에 대한 이해 수준이 유의미하게 높아졌다. 면담 결과 기계학습이 어려웠으나 동시에 유용함을 깨달았다는 반응과 데이터 귀납 연구와 수학의 중요성을 깨달았다는 반응이 도출되었다. 연구 결과는 학생들이 수학적 모델(수식)이 단지 계산 도구가 아니라 현상의 설명과 예측을 돕는 도구이며, 변동이 가능한 잠정적 성질을 띤다는 점을 이해하게 되었음을 증명한다. 더불어 첨단 기술의 도입이 진정한 탐구 중심 과학 교육을 촉진할 잠재력을 보여준다.

광학 공동에서 두 원자의 최대 얽힘 상태 생성 연구

윤석찬, New Physics: Sae Mulli 75, 468 (2025).

이 논문은 두 개의 원자 사이에 강력한 양자 얽힘(entanglement) 상태를 효과적이고 안정적으로 생성할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 양자 얽힘은 두 입자가 물리적으로 떨어져 있어도 서로 연결되어 있는 것처럼 동작하는 현상으로, 양자역학의 가장 신비롭고 중요한 개념 중 하나다. 이러한 얽힘은 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센싱 등 차세대 기술의 기반이 되며, 정보의 보안성이나 계산 효율성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 기존의 얽힘 생성 방식은 원자의 위치를 나노미터 단위로 정밀하게 제어하고, 레이저의 위상도 매우 정확히 맞추어야 했기 때문에 실험적으로 구현하기 어려웠다. 이에 비해 본 연구는 ‘위상 둔감(phase-insensitive)’한 프로토콜을 개발하여, 실험 환경에 대한 요구 조건을 크게 완화시켰다. 연구팀은 두 개의 원자를 고품질의 광학 공동(optical cavity) 안에 가두고, 탐침 레이저(probe laser)와 마이크로파(microwave) 필드를 사용하여 원자의 상태를 제어한다. 얽힘 상태가 형성되면, 광자가 더 이상 방출되지 않는 ‘암흑 상태(dark state)’가 되며, 이때 관측되는 ‘양자 도약(quantum jump)’을 통해 얽힘 여부를 실시간으로 확인할 수 있다. 양자 몬테카를로 시뮬레이션(그림)과 이론 모델 분석 결과, 공동의 성능(cooperativity)과 광자 검출 효율(detection efficiency)이 현실적인 수준일 때에도 얽힘 상태의 충실도(fidelity)가 95% 이상으로 유지되는 것으로 나타났다. 이 방법은 복잡한 안정화 장치 없이도 높은 얽힘 품질을 제공하며, 향후 양자 네트워크 구성이나 분산형 양자 컴퓨팅 플랫폼 구현에 실질적인 기반 기술로 활용될 수 있다.

h-BN 중간층이 도입된 MoS₂/LaVO₃ 이종접합 태양전지의 광전지 특성 향상 연구

최보규, 이호선, 김도훈, 신동희, New Physics: Sae Mulli 75, 486 (2025).

태양전지는 태양 에너지를 전기로 바꾸는 장치로, 탄소를 배출하지 않아 환경에 부담을 주지 않고, 고갈될 염려 없이 사용할 수 있어 재생에너지 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 같은 태양빛을 받아도 전기를 더 많이 만들어낼 수 있다면 그것이 바로 효율이 높은 태양전지이며, 이를 실현하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 자외선부터 가시광선 영역에 이르기까지 우수한 빛 흡수 특성을 가진 MoS₂(몰리브덴 이황화물)와 LaVO₃(란탄 바나데이트)를 결합한 이종접합 태양전지를 제작하고, 그 성능을 향상시키기 위한 방안으로 2차원 절연 물질인 h-BN(육방정계 질화붕소)을 중간층으로 도입하였다. 이를 통해 계면에서의 전하 재결합을 억제하고 전하 분리 및 수송 특성을 개선함으로써, 소자의 변환 효율을 향상시키고자 하였다. MoS₂는 얇고 평면적인 2차원 구조로 구성되어 있어 빛을 효과적으로 흡수하고 전기를 전달하는 데 적합하며, LaVO₃ 역시 넓은 파장대역에서 높은 흡수율을 나타내는 페로브스카이트 산화물로 주목받고 있다. 그러나 이 두 물질을 직접 접합할 경우 계면에서 전자와 정공이 쉽게 다시 결합하여 효율이 감소하는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 전하 재결합을 차단할 수 있는 h-BN을 도입하였으며, 이 구조를 통해 실제로 성능 개선 효과가 확인되었다. 결과적으로 h-BN을 도입하지 않은 소자는 약 5.05%의 변환효율을 보인 반면, h-BN을 포함한 소자는 6.14%의 효율을 나타내어 약 22%의 성능이 향상되었다(그림). 이러한 결과는 h-BN이 전자 차단층으로 작용하여 전자-정공 재결합을 억제하고, 전하 수집 효율을 높이는 역할을 한다는 점을 시사한다. 또한, 광응답 속도 및 이상 계수 분석 결과에서도 h-BN 삽입 구조가 전기적 특성 향상에 기여함이 확인되었다. 이러한 결과는 단순한 구조적 개편을 통해 태양전지의 성능을 효과적으로 개선할 수 있음을 보여주며, 향후 자가전원 센서나 웨어러블 전자기기 등 다양한 응용 분야로의 확장 가능성도 제시한다.