새물리 HIGHLIGHTS

물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201452

Tm3+과 Nd3+ 이온이 도핑된 유리세라믹의 형광특성과 에너지 전달

희토류를 도핑한 유리세라믹을 이용하여

자외선을 가시광선으로 전환하는 양자분리

또는 적외선을 가시광선으로 전환하는 상

방전환 방법 역시 시도되고 있다. 유리 세라

믹은 유리를 열처리하여 일부가 결정체를

형성하는 물질로서 제조가 용이하고 경제적

이며 형광효율이 크게 향상되는 장점이 있

다. 형성되는 결정체는 포논에너지가 작아

열적 손실이 작아서 도핑된 이온의 형광효

율이 큰 CaF2, SrF2, BaF2, PbF2, LaF3 등의

불화물이 대부분이다. 희토류 이온은 흡수

선폭이 작아 상방전환에서는 가시광선 영

역의 매우 제한된 영역에서만 형광을 발생

하므로 2종류 이상의 희토류 이온을 도핑하

여 사용하기도 한다. 그러나 2종 이상의 이

온이 도핑될 때 발생 파장 영역이 넓어지기

는 하지만 이들 이온간의 상호작용으로 인

해 특정 파장의 빛이 더 강해지는 경향이 있

어 이러한 에너지 전달 과정을 연구할 필요

가 있다. 불화물 결정체 즉 유리세라믹의 제

조는 유리에 대한 DTA 측정으로 결정화 온

도를 알아내고 나서 적절한 온도에서 수 시

간 전기로 내부에서 유리를 열처리하여 이

루어진다. 결정체 형성 여부는 XRD와 TEM

을 이용하여 직접 알 수도 있고 형광효율의

향상을 통해 간접적으로 알 수도 있다. 일반

적으로 유리상태보다 유리세라믹에서 형광

효율이 수 배 증가하게 된다. 그리고 스펙트

럼에서도 결정성으로 인해 선폭이 매우 가

늘어진다. 유리와 같은 비정질 재료에서 형

광수명시간은 매우 짧으며 이것은 포논에

의한 열적 손실로 인해 비발광천이가 매우

강하기 때문이다. 본 연구에서 다룬 Tm과

Nd가 이중으로 도핑된 유리세라믹에서는

에너지 전달에 의해 단순 지수함수가 아닌

형태로 감소하고 이 곡선을 통해 에너지 전

달 관련 정보를 얻을 수 있다. 또한 이중 도

핑된 재료에서 Tm의 형광이 단일 도핑된 시

료보다 훨씬 크게 나타난 것도 에너지 전달

의 결과이다. [그림]

송수아, 김동선, 이진호, 임기수(충북대), 장민호, 조용

훈(한국과학기술원), New Physics: Sae Mulli

64, 518 (2014).

20세기 상대성이론과 미술의 관계의 논의를 통한 과학교육에 대한 시사점

과학에서 미술은 매우 중요한 역할을 한

다. 논문, 서적 등에서 삽화, 사진, 그림 등 시

각화된 자료를 사용하며 이론을 정교화하거

나 아이디어를 표현하기 위해 미술을 활용

한다. 미술 역시 과학의 직 간접적인 영향

을 받는데 안료와 관련된 화학, 광학 및 해부

학의 발전은 르네상스 시대의 미술에 중대

한 변화를 가져 왔다. 오늘날 과학기술, 인문

학, 예술 등 다양한 분야의 지식의 통합이 강

조되는 시점에 과학과 미술의 관계를 조망

하고 어떻게 교육을 통해 서로 통합할 수 있

는지 논의해 보고자 한다.

20세기 상대성이론과 미술은 중대한 패러

다임의 전환기에 놓여 있었다. 당시 유럽은

산업혁명을 거치면서 빈부의 격차, 도시의

슬럼화 등의 사회 문제와, 강대국들의 식민

지 통치에 따른 제국주의의 비판으로 보편적

이고 절대적 진리의 거부의 바람이 일었다.

이같은 흐름 속에 물리학과 미술은 유사한

변화를 겪는데, 대표적인 것이 절대적 가치

에 대한 부정이다. 운동 상태나 위치 등을 절

대적으로 파악할 수 있다는 신념이 아인슈타

인의 상대성이론에 의해 무너졌으며, 객관

적이고 사실적인 실재의 재현을 추구하던 사

실주의 미술은 표현과 무의식을 강조하는 입

체주의, 표현주의의 등장으로 막을 내렸다.

뿐만 아니라 당시의 미술 작품을 상대성

이론의 관점에서 해석해 볼 수 있다. 피카소

나 브라크의 그림들은 여러 시선에서 바라

본 오브제의 모습을 보여주는데 이는 사건

이 관찰자에 의해 다르게 보일 수 있다는 점

에서 동시성의 상대성으로 이해할 수 있다.

마그리트나 달리가 그린 초현실주의 작품들

은 늘어진 시계로 시간 지연을 표시하거나

벽난로에서 나오는 기차를 통해 <헛간-사다

리의 역설>을 표현하는 것처럼 보인다.

이는 미술 작품을 통해 다양한 과학 개념과

원리를 탐구할 수 있으며, 나아가 과학적 개

념이나 생각을 미술에 반영할 수 있음을 보여

준다. 과학과 미술의 연결을 통해 학생들이

사고의 전환을 이룰 수 있다면 과학적 창의성

뿐만 아니라 융복합교육의 차원에서 안목을

기르는 데에도 도움이 될 것이다. (그림).

조헌국 (단국대), New Physics: Sae Mulli 64,

550 (2014).

물리학과 첨단기술 JULY/AUGUST 201 4 53

Bi(Fe0.9Mn0.1)O3 박막의 강유전 및 자기 특성

다강체 물질은 강유전성과 강자성이 동

시에 존재하는 물질이다. 이와 더불어 강

유전성과 강자성이 결합하는 자기전기적

효과(magnetoelectric effect)를 보이는

물질이다. 다강체 물질의 자기전기적 결

합효과를 이용하면 다양한 기능을 가진

새로운 개념의 저장 매체로의 응용이 가

능하다. 예를 들면, 외부에서 전기적 신호

를 인가하면 다강체 물질 내부에서 전기

분극의 변화와 더불어 자기 분극의 변화

를 가져온다. 또한 외부 자기장 인가는

물질 내부에서 자화와 전기 분극을 변화

시킨다. 1966년 Ni3B7O13I 다강체에서

자기전기적 효과가 보고되었으며, 1960

년대 실험실에서 합성된 다강체 물질이

보고되기 시작했다. 하지만 강유전체와

강자성체 물질이 가지는 결정구조의 대칭

성 차이, 전기적 성질의 차이, 화학결

▲ BiFeO3와 Bi(Fe0.9Mn0.1)O3 박막의 강유전 이력

곡선.

합의 차이 등으로 인해 자연상에 존재하

거나 실험실에서 합성된 다강체 물질의

종류는 많지 않다.

BiFeO3는 대표적인 단일상 다강체 물

질로 상온에서 강유전성과 강자성을 보이

는 물질이지만, 큰 누설전류와 약한 강자

성 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진

행되고 있다. 본 연구에서는 BiFeO3의

Fe 자리에 전이 금속인 Mn의 치환에 따

른 Mn과 Fe 원소의 산화수, 결정구조,

강유전성 및 강자성에 미치는 영향을 확

인하였다. Mn의 치환에 따라 BiFeO3의

큰 누설전류에 영향을 미치는 Fe2+ 양이

상당히 감소되었음을 확인하였다. Mn과

Fe 산화수는 박막 증착 조건과 밀접한 관

계를 가지며, 적절한 산화수의 조절은

BiFeO3의 강유전성 및 강자성에 변화를

줄 것으로 기대된다. 다강체 물질을 이용

하여 새로운 개념의 저장 매체로의 응용

가능성을 고려할 때, 단일상 다강체 물질

에 대한 체계적인 연구는 학문적인 관점

뿐만이 아니라 실생활에 응용차원에서 필

요하다.

도달현 (계명대), New Physics: Sae Mulli 64,

590 (2014).

30 Tesla 급 펄스 자석 시스템 개발

자기장을 이용한 물성연구는 다양한 분

야에서 진행되고 있다. 특히 온도 대비 자

기장 값이 높은 high B/T 환경에서의 연

구는 기저상태에서의 물성에 대한 많은

중요한 정보를 제공한다. 고자기장용 자

석은 DC magnet과 pulse magnet이 있

는데 DC magnet의 경우는 자기장은 오

랜 시간 유지되나 임계 자기장(초전도 자

석) 혹은 감당하기 힘든 전력 소비량

(resistive magnet), 등의 문제로 인해 운

용 혹은 응용상의 한계가 있다. 이에 비해

pulse magnet은 상대적으로 매우 적은

개발/운용비로 높은 자기장을 구현할 수

있어서 해외 여러 선진연구소에서 개발/

운용하고 있다. 고자기장 환경에서의 물

성 연구는 국내 연구자들에 의해서도 많

이 진행되고 있는데 국내에 고자기장 펄

스 자석을 이용한 물성연구 시설이 없는

관계로 현재까지는 미국 등의 선진국 시

설을 사용하여 연구를 진행하고 있는 상

황이다. 본 논문에서는 순수 국내 기술로

이루어진 30 Tesla 급 고자기장 펄스 자

석 시스템의 개발 결과를 기술하였다. 개

발된 시스템에는 9 kV 내압의 830 mF 용

량 축전기를 10개를 병렬로 사용하였고,

10 kV 최대 출력 전압 0.5 A 최대 출력

전류 용량을 가진 DC 전원과, 고전압-고

전류 펄스를 발생시키기 위한 스위칭 소

자로 고전압 고전류 SCR(8.5 kV 내압,

65 kA 최대 전류)을 사용하였다. 자기장

을 발생시키기 위한 solenoid의 개발이

전체 시스템 개발에서 가장 어려운 부분

인데 그것은 고자기장에서 발생하는 높은

자기 압력 때문이다. 이러한 높은 자기 압

력은 전류가 흐르는 선재만으로 감당할

수 없으므로 E-glass tape, aramid fi-

ber/fabric을 사용하여 solenoid의 기계

적 강도 보강을 하였다. 간단한 induction

type magnetometer를 사용하여 개발된

펄스 자석 시스템의 자기장 발생 특성을

측정하였는데 4 kV 충전 전압에서 최대

30 T의 자기장을 발생시키고 자기장 펄

스의 길이는 ∼100 ms인 것을 확인하였

다 (그림). 현재 후속연구로 transport 특

성 측정용 probe와 magnetization 측정

용 probe의 개발을 진행 중에 있으며 향

후 국내에서의 고자기장 연구 활성화에

기여할 것으로 기대된다.

K. Son, S. H. Kim, Z. H. Jang(국민대), B. J.

Suh(가톨릭대), New Physics: Sae Mulli 64,

638 (2014).