육방정계 YFeO₃의 전자구조: 제일원리 계산 연구

이한주, New Physics: Sae Mulli 76, 260 (2026).

자성과 강유전성을 동시에 가지는 다강성(multiferroic) 물질은 전기장으로 자성을 제어하거나, 자기장으로 전기적 성질을 바꿀 수 있어 차세대 다기능 소자 응용 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 대표적인 다강성 물질군으로는 육방정계 망간산화물(RMnO₃, R: 희토류 원소)이 있으며, 이 계열은 강유전 전이와 자기 질서가 공존하는 특이한 물리적 성질 때문에 집중 연구되어 왔다. 그런데 철 이온(Fe³⁺)이 망간 이온(Mn³⁺)과 거의 같은 이온 반경을 가짐에도 불구하고, RFeO₃는 통상 사방정계 구조로 형성되어 육방정계 RFeO₃(h-RFO)에 대한 연구는 매우 드물었다. 최근 에피택시 박막 성장 기술의 발전으로 h-RFO의 제조가 가능해졌으며, 육방정계 YbFeO₃에서 강유전성이 확인되는 등 이 물질군에 대한 관심이 새롭게 높아지고 있다. 본 연구에서는 육방정계 YFeO₃(h-YFO)의 전자구조를 스핀 분극 국소 밀도 범함수 이론(LSDA) 및 온사이트 쿨롱 상호작용 보정(Hubbard U, LSDA+U) 방법으로 체계적으로 분석하였다. LSDA만을 적용한 경우 Fe-3d와 O-2p 궤도 간의 혼성화가 과대평가되어 h-YFO가 금속성 물질로 잘못 예측되었다. 이는 전이금속 산화물에서 흔히 나타나는 LSDA의 한계로, U 보정을 도입함으로써 해결할 수 있다. U값을 0에서 10 eV까지 변화시킨 결과, U 보정을 적용함에 따라 a-축 격자상수가 감소하고 c-축이 증가하는 이방성 구조 변화가 나타났으며, Fe에서 면내 산소(O_P) 및 꼭짓점 산소(O_A)까지의 결합 길이도 각각 다른 양상으로 변화하였다. 특히 U = 5 ‒ 7eV 범위에서 계산된 격자상수가 실험값에 잘 부합하였다. 부분 상태밀도(PDOS) 분석에 따르면, 가전자대는 Fe-3d와 O-2p의 혼성 상태가 지배적이며, 전도대 하단은 U값이 낮을 때 Fe-3d_xy 상태, U값이 10 eV로 증가하면 Fe-3d_z² 상태로 전환되는 것이 확인되었다. 이는 삼각쌍뿔(TBP) 결정장 이론만으로는 설명되지 않는 결과로, Fe-3d_xy 궤도가 면내 O-2p 궤도와 강하게 혼성화되어 분산적인 띠를 형성하기 때문이다. 멀리컨 전하 분석을 통해 U값 증가에 따라 O_A-2p_z와 Fe-3d_z² 간의 혼성화는 오히려 강화되는 반면, 다른 궤도 간 혼성화는 억제됨을 확인하였다. 계산된 띠간격은 U = 5 ‒ 7 eV에서 실험적 광학 흡수 데이터와 잘 일치하였다.

2022 개정 중학교 과학교과서 물리 영역에 나타난 시각적 표상의 종류, 기능 및 맥락 탐색

고은혜, 고연주, New Physics: Sae Mulli 76, 314 (2026).

과학교과서에 등장하는 사진, 그림, 다이어그램과 같은 시각적 표상은 학습자가 과학 개념을 이해하고 표현할 뿐만 아니라, 과학적 추론을 수행하도록 돕는 중요한 도구이다. 본 연구에서는 2022 개정 중학교 1학년 과학교과서 6종에 수록된 825개의 시각적 표상을 분석하여, 교과서 속 시각적 표상이 어떻게 활용되고 있는지 살펴보았다. 이를 위해 힘의 작용 및 열 단원에 제시된 시각적 표상을 종류(형태), 기능(교육적 역할), 맥락(교과서 흐름 내 배치) 차원에서 분석하고 그 조합 양상을 함께 탐색해보았다. 연구 결과, 첫째, 과학교과서에서는 실제 모습을 그대로 보여주는 사진과 사실적으로 나타낸 다이어그램을 가장 빈번하게 활용하였으며, 이를 통해 학습자가 과학개념을 일상 경험과 연결하여 이해할 수 있도록 돕고 있었다. 또한 힘의 방향이나 크기, 열의 이동과 같이 눈에 보이지 않는 개념을 설명할 때에는 화살표나 모형을 활용한 다이어그램을 이용하거나, 사진 위에 설명을 덧붙인 혼합형 다이어그램을 제시하여 개념과 현상을 동시에 이해하도록 구성되어 있었다. 둘째, 대다수의 시각적 표상은 현상을 사실적으로 제시하는 역할로 활용되었으며, 개념 설명이나 실험 절차 안내와 같은 여러 역할을 동시에 수행하는 경우도 많았다. 특히 열 단원에서는 시간에 따른 변화나 과정을 보여주는 과정적인 기능이 상대적으로 높은 비중을 차지하였다. 셋째, 시각적 표상의 활용 맥락은 학습 목표에 따라 달라지는 경향을 보였다. 세 차원의 조합을 살펴본 결과, 추상적인 과학 개념을 설명하는 데 다이어그램을 이용하는 조합(다이어그램-설명적 기능-개념적 설명 맥락)과, 실험 절차나 활동을 안내하는 과정에서 실제 사물 및 실험을 사실적으로 나타내기 위해 사진을 이용하는 조합(사진-사실적, 과정적 기능-절차 안내/실험 활동 맥락)이 두드러지게 나타났다. 이는 같은 시각적 표상이라도 교과서에서 제시되는 맥락에 따라 그 역할이 달라질 수 있음을 의미한다. 종합하면, 과학교과서 속 시각적 표상은 단순히 관습적으로 배치되는 것이 아니라, 물리 개념의 특성과 학습 목표 및 흐름에 맞추어 전략적으로 선택 및 조합되고 있으며, 학습자의 이해를 설계하는 중요한 장치로 기능하고 있음을 확인할 수 있었다.