벌크 결정과 박막 결정에서 다르게 형성되는 쌍결정 경계

김수재, 김영훈, 김영민, 정세영, New Physics: Sae Mulli 72, 812 (2022).

최근 구리의 순도가 저항에 가장 큰 영향을 주지 않느냐는 질문을 자주 받는다. 상온에서 순도 99.9% (3N) 구리와 99.99999% (7N) 구리의 저항은 거의 차이가 없다. 금속의 전기적 특성에 크게 영향을 주는 것은 면결함에 해당하는 낱알 경계(Grain Boundary, GB)이다. GB와 유사한 결함으로 쌍결정 경계(twin boundary, TB)가 있다. 이 둘의 명확한 차이는 대칭성에 있다. 단순히 결정학적 정의로 그 차이를 논하자면 좌우가 수직한 TB를 경계로 나눠진 영역에서 오른쪽 영역을 회전대칭이나 거울 대칭을 하면 왼쪽 영역과 동일한 구조를 얻을 수 있다. 반면 GB로 좌우가 나눠진 영역의 우측영역은 회전대칭이나 거울 대칭으로 왼쪽 영역과 같게 될 수 없다. 그러나 물리적 성질의 차이는 더 두드러진다. 역학적으로는 TB가 있는 결정이 없는 경우보다 오히려 더 강하다는 보고도 있다. 반면 GB는 역학적 특성을 매우 나쁘게 한다. 전기적 특성 측면에서 봤을 때도 GB가 전기적 특성을 심각하게 저하시키는 것에 반해 TB는 전도도 변화에 별로 영향을 주지 않는다.

GB는 TB가 형성되는 조건에서 다소 벗어나거나, 평형조건을 다소 벗어나기 때문에 생성된다고 볼 수 있다. 그럼 TB는 왜 생기는 것일까? TB가 생성되는 원인은 덩어리 결정 성장이냐, 박막성장이냐에 따라 전혀 다르다. 덩어리 결정은 고온에서 성장된 다음 상온으로 냉각되는 과정에 구조 상전이가 발생하게 되고 응력을 해소하기 위해 TB를 만든다. 고온상이 가지고 있던 대칭성이 저온상으로 오면서 사라지게 되는데 이 사라진 대칭성이 TB에서 나타난다. 반면 박막은 기판 위에서 성장되기 때문에 기판 상에서 수없이 많이 형성된 핵들이 자라 만나면서 경계를 만드는데 이 경계가 TB이다. 아주 잘 제어된 조건에서 박막 성장이 진행된다면 GB의 생성은 억제할 수 있지만 TB가 형성되는 것은 피할 수 없다.

그림 a는 원자스퍼터링 에피택시(ASE)를 사용하여 성장된 단결정 구리 박막의 전자후방산란회절 이미지이다. 완벽하게 (111)면으로 성장된 것으로 보인다. 그러나 모드를 다르게 하여 면내(in-plane) 방향에서의 결정의 배향을 조사하면 그림 b처럼 오배향곡선을 얻을 수 있는데 빨간색은 TB이고 파란색은 GB이다. 이 오배향곡선 이미지는 GB가 TB 조건보다 불과 1˚ 정도 틀어져 있는 구간을 구별한 것이다. ASE를 사용하여 최적 조건에서 박막을 성장하면 이 정도의 GB조차 생성되지 않게 제어할 수 있다.

양극산화를 통해 제작된 TiO₂ 나노튜브 어레이의 분할과 팽창에 따른 정렬도 변화 분석

김보현, 부상돈, New Physics: Sae Mulli 72, 827 (2022).

최근 다양한 목적을 위해 구동되는 소자들이 소형화 경향과 함께, 이에 응용하기 위한 다양한 물질들을 1, 2차원 나노 구조물의 형태로 제작하고 분석하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그 중, 1차원 구조물의 경우, 나노 와이어, 나노튜브 등의 형태가 주로 제작되고 있다. 또한, 압전체/강유전체 물질 등을 나노튜브 형태로 제작한 다음, 촉매, 에너지 저장 소자, 센서 등에 응용하는 연구들이 진행되고 있다. 나노 구조물을 제작하는 여러 가지 방법들 중에서, 한 가지는 양극산화 방법이 사용되고 있다. 양극산화란, 금속과 전극이 담긴 전해질 용액 내에서 전기장을 걸어주어 금속 표면에 산화물을 형성시키는 방법이다. 이 방법은 빠른 시간 내에 산화물 시료를 두껍고 균일하게 제작할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 전해질 용액 pH 농도, 양극산화 과정에서의 전압, 양극산화 시간 등의 변수를 조절하여 산화물 시료의 두께와 형태 등을 조절할 수 있다. 본 연구에서는 양극산화 방법을 통해 TiO₂ 나노튜브 어레이를 제작하였다. 전계방사형 주사전자현미경을 이용하여 양극산화 시간에 따른 나노튜브 밑 부분의 정렬도 변화를 분석하였다. 양극산화 초기에는 서로 독립적으로 분리된 형태의 TiO₂가 형성된 것을 확인하였다. 그런데 양극산화 시간이 증가하면서 나노튜브의 팽창과 더불어 분열이 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 한 예로, 시간이 지날수록 작은 직경을 가진 나노튜브는 팽창을 하게 되지만, 큰 직경을 가진 나노튜브는 그 사이에 경계가 생겨 두 갈래로 분리되어 직경이 상대적으로 작은 나노튜브로 분할되는 경향을 보였다. 이 결과는 직경 분포 그래프를 통하여 표준편차 값이 줄어든 결과를 통해 확인할 수 있었다. 시간이 더욱 지나면서 나노튜브의 분할이 어느 정도 끝나게 되면 나노튜브의 팽창이 더욱 우세하게 진행되어 다시 평균 직경이 증가하는 경향을 보여준다. 요약하면, 나노튜브는 초반에 분할과 팽창이 일어나게 되고 분할이 어느 정도 끝나게 되면 팽창 과정이 계속 일어나는 것으로 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 TiO₂ 나노튜브 성장 메커니즘 관련하여 또 다른 하나의 추가적인 작은 과정을 제안할 수 있는 것으로 사료된다.

예비 물리교사의 수업지도안에 나타난 수업 참여 유형 분석

강경희, New Physics: Sae Mulli 72, 914 (2022).

교실수업에서 교사와 학생의 상호작용은 다양한 형태로 나타난다. 특히 학생의 수업 참여는 학습자의 학습동기를 유발하고 성취를 향상시키는 데 효과적이다. 그러므로 수업지도안 작성을 통한 수업계획은 수업참여를 이끌기 위한 설계라는 점에서 의미가 크다. 특히 수업지도안에 나타난 수업 참여 요소를 분석함으로써 수업 참여에 대한 예비 교사들의 이해 정도를 파악할 수 있다.

이 연구는 J시 소재 사범대학 물리교육전공에 재학 중인 예비 물리교사 18명이 작성한 수업지도안 97부를 대상으로 이루어졌다. 수업 참여 요소는 고차원적 사고(Higher-order thinking), 지식의 심화(Depth of knowledge), 실생활 연계(Connectedness to the world beyond the classroom), 실질적 대화(Substantive conversation), 학생 성취를 위한 사회적 지원(Social support for student achievement)으로 분석하였다.

분석 결과 수업 참여 요소 중 지식의 심화가 평균 3.43점으로 가장 높았고, 다음으로는 고차원적 사고, 실질적 대화, 실생활 연계, 학생 성취를 위한 사회적 지원 순이었다. 다섯 가지 수업 참여 유형 중 세 가지가 중간 수준 이하인 것으로 나타났고, 이는 예비 물리교사들이 수업 참여 유형을 고르게 활용하지 못하고 있음을 시사하고 있다. 수업모형에 따른 수업 참여 유형은 발견학습모형 수업지도안에서는 고차원적 사고가 가장 높았고, 순환학습모형에서는 지식의 심화가 가장 높았다. 예비 물리교사들의 수업지도안에 나타난 수업 참여 유형들 간 관련성이 있는지 알아보기 위해 상관관계를 분석한 결과 실생활 연계와 학생 성취를 위한 사회적 지원 간에는 정적 상관관계가 나타났다. 이는 학습 내용과 학습자의 경험 또는 지식을 연계하는 과정에서 학생 성취를 위한 사회적 지원 활동이 전개될 수 있음을 시사하고 있다.

이 연구의 결과를 토대로 교사양성 교육과정에서 실시되고 있는 수업지도안 설계에서 수업참여를 활성화하는 방안을 예비 물리교사들이 익히도록 하고, 마이크로티칭 등을 통해 예비 물리교사들이 수업참여 전략을 직접 실행할 수 있는 활동이 적극적으로 도입될 필요가 있음을 제언한다.

Structure Optimization of the Trp-Cage Protein in the Three-Dimensional Off-Lattice AB Protein Model

S.-Y. Kim, New Physics: Sae Mulli 72, 946 (2022).

자연계에 존재하는 모든 생명체의 단백질(protein)은 공통적으로 서로 다른 이십 종류의 아미노산들(amino acids)을 일차원적으로 연결하여 만들어진다. 단백질은 현대 과학, 의학 및 공학 등에서 가장 핵심적인 역할을 하고 있는 생체 고분자(biomolecule)이다. 단백질은 특히 생명의 본질 및 원리를 이해하는데 있어서 아주 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들면 사람의 경우 서로 다른 십만여 종류의 단백질들을 가지고 있으며, 이들 서로 다른 십만여 종류의 단백질들에 의해서 사람의 복잡하고 다양한 생명 활동들이 유지된다.

각각의 단백질은 삼차원적 고유의 구조(tertiary native structure)를 가져야 주어진 단백질 고유의 생물학적 기능을 수행할 수 있다. 일차원적 아미노산 서열(one-dimensional amino-acid sequence)로부터 단백질의 삼차원적 고유의 구조를 이해하는 것은 현대 과학에서 가장 도전적인 문제 중의 하나이다. 아미노산들 사이의 모든 물리적인 상호작용들을 고려한다면 너무 복잡하기 때문에 삼차원 연속 AB 단백질 모형(3D off-lattice AB protein model)에서는 이십 종류의 아미노산들을 두 개의 아미노산으로 단순화시킨다. 즉 모든 아미노산들을 소수성(hydrophobic) 아미노산 A와 친수성(hydrophilic) 아미노산 B로만 표현한다. 따라서 AB 단백질 모형을 이용하면 비교적 용이하게 단백질의 삼차원 구조들을 컴퓨터에서 생성할 수 있기 때문에 과학 및 공학의 다양한 분야들에서 AB 단백질 모형을 이용한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 본 연구에서는 AB 단백질 모형을 이용하여 인공설계 단백질로 잘 알려진 Trp-cage (Tryptophane-cage) 단백질의 최저-에너지 구조(그림)를 포함한 수많은 구조들을 찾아내어 다양한 성질을 이해할 수 있었다. 그림은 입체(stereographic) 그림이며 빨간색은 A 아미노산이고 파란색은 B 아미노산이다.