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지난호





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PHYSICS PLAZA

새물리 하이라이트

등록일 : 2024-04-15 ㅣ 조회수 : 384

후열처리 온도에 따른 Co 박막의 구조 및 자성 특성 변화 연구

박강진, 손영준, 송세환, 이지성, 한승훈, 주태성, 이두용, 김송길, 박성균, New Physics: Sae Mulli 74, 135 (2024).

캡션

나노 크기 혹은 초상자성 형태의 자성 입자를 만드는 데에는 다양한 방법이 존재한다. 그중 열처리를 통한 다웨팅(dewetting) 현상을 활용하는 것도 하나의 방법으로 활용된다. Dewetting 프로세스는 넓은 범위의 물질에 활용되고 있다. 특히, 금속 물질의 경우에는 절연체 기판과 금속의 큰 표면 에너지 차이에 의해서 dewetting과 결집(agglomeration) 과정을 거쳐 불연속적인 다양한 나노 혹은 마이크로 구조체를 형성한다(그림). 일반적으로 불연속적인 금속 박막 형상은 아래의 Young-Laplace 방정식에 의해서 예측할 수 있다.

\[ \gamma_{s} = \gamma_{i} + \gamma_{f} \cos \theta \]

이때, \(\small \gamma_{s}\)는 단위면적당 기판의 자유 표면 에너지, \(\small \gamma_{i}\)는 단위면적당 박막-기판 표면 에너지, \(\small \gamma_{f}\)는 단위면적당 금속 박막의 자유 표면 에너지, \(\small \theta\)는 박막의 형상이 형성되었을 때의 기판과 형상 면 사이의 평형 접촉각을 나타낸다. 만일 \(\small \gamma_{s} > \gamma_i + \gamma_f\)라면 박막은 안정하며 dewetting 현상은 발생하지 않는다. 반면, \(\small \gamma_{s} \leq \gamma_i + \gamma_f\)이면 기판의 자유 표면 에너지와 박막-기판 표면 에너지의 총에너지를 최소화하는 방향으로 dewetting 현상이 일어난다. 또한, 열처리 과정에서 공급되는 열에너지양(i.e., 열처리 온도)이 달라짐에 따라 다양한 형상이 나타난다. 따라서, 열처리 온도가 박막의 물리적, 구조적 변화를 제어하는 요인 중 하나로 작용될 수 있다는 것을 의미한다.

본 연구에서는 cobalt 박막을 다양한 온도에서 열처리 과정을 거쳐 dewetting 현상을 발생시키는 실험을 진행하였고, 이때 나타나는 Co 입자들의 기하학적, 구조적 특성과 자기적 특성에 관한 연구를 진행하여 열처리 온도에 따른 상관관계를 연구하였다. 그 결과, Co 입자들은 열처리 온도가 증가함에 따라 장축의 길이가 높이보다 4배 이상의 큰 타원체 형상을 띠었고, 결정성이 향상된 FCC 구조를 가지며, (111) 방향으로 성장하였다. 또한, 자화 측정 결과, 측정 방향에 따라 서로 다른 자성 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 예로, 면외방향(out-of-plane direction)으로 측정한 Co 입자의 포화 자화값은 입자의 크기에 비례하고 보자력은 입자 크기에 반비례하는 것을 확인하였다. 반면, 면내방향(in-plane direction)으로 측정한 포화 자화값은 입자의 크기에 비례하지만, 보자력은 결정성의 크기에 비례하는 것을 확인하였다. 끝으로 열처리 온도가 높아짐에 따라 결정 자기 이방성의 영향으로 Co 입자의 in-plane 자화율이 작아지지만 out-of-plane 자화율은 일정한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.


마이크로파 근접장 영상화 기술을 통한 유체 내의 물방울 검출

Hyeri Song, Hanju Lee, New Physics: Sae Mulli 74, 251 (2024).

캡션

유체 상태의 물질은 일반적으로 높은 유동성을 가지고 있어서 외부의 물질이 유체 물질 내에 쉽게 혼합될 수 있다. 이러한 경우, 유체 내에 다양한 오염 물질이 존재할 수 있으며, 이러한 오염 물질은 불순물 문제 및 원치 않는 화학 반응을 초래할 수 있다. 따라서 유체 내의 불순물을 검출하는 기술은 물질의 신뢰성을 보장하기 위해 중요하다.

유체 내 불순물의 검출은 주로 유체와 검사 장비의 직접적인 접촉과 같은 파괴적인 검사 또는 광학적인 측정과 같은 비파괴적인 방법에 기초한다. 이러한 방법은 직접적인 관찰과 비교적 정확한 검사 결과를 가능하게 한다. 하지만 파괴적인 검사의 경우 잠재적으로 시료를 손상시키고 검사 장비로부터 추가적인 오염물을 유입시킬 수 있다. 또한 광학적인 검사의 경우, 불투명한 유체 내의 불순물을 검출하거나 불순물이 광학적으로 투명할 경우에는 사용할 수 없다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 TEOIM (thermo elastic optical indicator microscope) 기술은 광학 현미경을 기반으로 마이크로파 전자기장의 분포를 측정하여 근접장 분포의 실시간 변화를 포착할 수 있으며, 높은 측정 처리량과 분해능 등의 장점이 있다.

본 연구에서는 오일이 채워진 유전체 관에 다양한 크기의 물방울을 서로 다른 위치에 삽입한 유전체 튜브의 마이크로파 근접장 분포를 가시화하였다. 실험 결과로부터 오일이 채워진 유전체 튜브 내 물방울의 존재가 마이크로파 근접장의 분포 및 세기의 변화를 발생시키는 것을 확인할 수 있었다. 마이크로파 근접장 구조의 변화를 분석함으로써 물방울의 존재 여부, 크기 및 위치를 파악할 수 있음을 보여주었으며 TEOIM 기반의 마이크로파 근접장 영상화 기술이 유체 내 불순물의 비파괴 검출에 활용될 수 있음을 입증하였다.

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