소결온도 강하를 위한 Potassium Silicate Solution의 첨가량에 따른 YAG:Ce³⁺ 형광체의 형광특성 변화연구

유지훈, 홍우태, 정종원, 양현경, New Physics: Sae Mulli 73, 189 (2023).

백색 발광 다이오드(White-light emitting diode, W-LED)는 긴 수명, 높은 발광효율 및 에너지 절약 등과 같은 이점으로, 디스플레이 및 조명 분야에서 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 W-LED를 구현하는 가장 대중적인 방법으로는 청색 InGaN 칩에 황색 발광 형광체를 도포하는 것이다. 대표적인 황색 발광 형광체인 YAG:Ce³⁺ (Yttrium aluminum garnet: YAG, Y₃Al₅O₁₂)은 300 ~ 500 nm의 넓은 흡수영역을 가지고, 열적 안정성이 우수하며 530 ~ 590 nm에서 가장 강한 황색 발광을 하여 W-LED에 많이 사용되고 있다. 하지만, yttrium aluminate계에는 YAG 결정 이외에도 YAP (Yttrium aluminum perovskite, YAlO₃)와 YAM (Yttrium aluminum monoclinic, Y₄Al₂O₉)의 중간상이 존재하기 때문에 순수한 조성의 YAG의 결정을 얻기 위해서는 1700 ~ 1800 ℃ 이상의 고온에서 장시간 소결과정이 요구된다. 이러한 합성 조건은 형광체 입자의 응집을 초래하고, 입자 격자 사이의 결함으로 인하여 발광효율이 감소한다. 소결온도를 낮추기 위하여 많은 연구에서는 flux를 첨가하는데, 사용되는 fluoride, borate, chloride 등의 물질들은 고가이며, 시트르산 염과 같은 물질들은 일부 독성이 존재하여 활용이 제한적인 문제점을 가지고 있다. 이에 본 논문은 potassium silicate solution (PSS)을 첨가하여 상대적으로 낮은 소결온도에서 YAG 결정상을 합성하였다. 그리고 PSS가 첨가되었을 경우, 황색 영역의 발광 세기가 증가하는 것을 확인하였으며, 이를 LED에 적용하였을 때, 기존의 W-LED (6961 K)보다 더 낮은 색온도를 가지는 백색광(6332 K)이 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과로부터 PSS는 YAG:Ce³⁺ 형광체의 소결온도를 낮추고 색온도를 개선할 수 있는 flux로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

초등학교 전기회로 수업에서 나타나는 예상 밖 상황: 경력 교사의 대응과 과학 교수 신념을 중심으로

신채연, 송진웅, New Physics: Sae Mulli 73, 242 (2023).

과학수업이 이루어지는 교실은 경력이 많은 교사에게도 미처 예상하지 못한 다양한 상황들이 발생하는 복잡하고 역동적인 장소이다. 이러한 이유로 과학수업은 교사의 계획대로 이루어지지 않을 때도 있다. 초등학교 6학년 ‘전기의 이용’ 단원은 전류, 전지와 전구의 연결 등 다루고 있는 개념의 추상적 성질 때문에 학생뿐 아니라 초등교사에게도 어려운 주제 중 하나이다. 이 연구는 초등학교 6학년 전기회로 수업에서 관찰된 예상 밖 상황과 이에 대한 경력교사의 대응을 살펴, 예상 밖 상황의 원인과 교사의 대응에 영향을 미친 요인을 분석하였다. 연구 대상자인 초등교사 A는 서울의 한 초등학교에서 6학년 과학 교과전담 교사를 맡고있는 경력교사로, 초등과학교육 전문성을 인정받고 있는 교사이다. 이 연구는 7차시의 전기회로 수업, 반구조화된 교사 면담, 필기 노트를 자료로 수집하여 분석하였다. A교사는 코로나19 상황을 감안하여 실험을 위한 1인용 실험 키트를 준비하였으며, 이 키트에는 1.５V 전지 2개, 꼬마전구 2개, 전선 2개, 스위치 2개, 전지 끼우개, 전구 끼우개 등 전기 부품이 들어있었다.

연구 결과 교사A의 전기회로 수업에서는 네 개의 예상 밖 상황이 관찰되었다. 첫 번째는 ‘전기 부품의 고장과 분실’로 인한 상황으로, 실험에 사용되는 전기 부품의 분실 또는 고장이 원인이 된 상황이다. 두 번째는 ‘전기회로에 불이 들어오지 않는’ 상황으로 이는 교과서에 제시된 단순화된 그림과 교과서의 개념 제시 순서가 원인이 된 상황이다(그림). 세 번째는 ‘전기 부품으로 인한 실험 결과의 오류’로 균일하지 못한 전기 부품이 원인인 상황이다. 마지막은 ‘실생활 적용 사례에 대한 학생의 질문’으로, 교사가 개념 이해를 돕기 위해 도입한 실생활 사례에 대한 학생의 질문이 원인이 되어 발생한 상황이다.

예상 밖 상황에 대해 A교사는 전기 부품은 소모품, 무엇이 문제인지를 학생 스스로 찾도록 기회 주기, 개념 재설명하기, 학생과 친숙한 실생활 상황을 예나 비유로 제시하기, 교과서의 제한적 사용 등으로 대응하였다. 이러한 교사의 대응은 탐구 경험의 강조, 과학과 실생활 사이의 관계 이해, 학생 중심 수업, 과학 개념의 습득과 같은 A교사의 과학 교수 신념에 기반하고 있음을 밝혔다.

이처럼 교사의 과학수업은 많은 요인에 영향을 받으므로 교사의 과학수업 전문성 향상을 위해서는 다양한 요인들에 대한 면밀한 관찰과 분석이 요구된다.