영원히 변하지 않는 질량 기준, 순수 국내기술로 구현 - 이엠디

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기존 1 kg 원기 대신할 키블저울 이용, 첫 국제비교 참가 성공

극히 미세한 질량까지 정확히 측정, 미래 첨단 산업에 활용 기대

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 순수 국내기술로 개발한 키블저울*을 이용해 질량의 단위인 킬로그램 측정값을 구현, 국제비교** 참가에 성공했다.

* 키블저울 : 전자기력으로 물체에 작용하는 중력을 가늠해 고정된 물리상수 값을 기준으로 측정 대상의 질량을 측정하는 장비

** 국제비교 : 각 나라의 측정값을 비교하는 것으로, 분야별로 국제비교가 실행되고 있다. 이번 국제비교는 단위 재정의 이후 국제 질량 눈금을 정하기 위해서 첫 번째로 시행됐다. 질량비교기가 있는 BIPM(국제도량형국)에 각 나라의 측정값을 보내 비교하는 방식이다.

이번 국제비교에 참가하기 위해서는 불확도* 2×10-7 이하의 선제조건이 요구됐다. KRISS는 1.2×10-7의 불확도를 달성했으며 NRC(캐나다), NIST(미국), BIPM(국제도량형국), NIM(중국) 등 총 5개 표준기관이 키블저울 실험을 이용해 참가했다.

* 불확도 : 측정값을 의심하는 정도

질량의 단위인 킬로그램은 백금과 이리듐을 합금한 금속 원기의 질량을 1 kg 으로 정의해 사용해 왔다. 그러나 100여 년 동안 약 수십 마이크로그램(㎍, 100만분의 1 g)이 변한 것으로 추정돼 정확성에 문제가 제기됐다.

단위가 불안정하고, 변할 가능성이 있다는 것은 일상생활과 모든 산업 현장에서 이루어지는 측정값을 신뢰할 수 없음을 의미한다. 특히 제약, 반도체 등 정확한 질량측정을 요구하는 첨단기술 분야에서는 질량측정의 안정성과 신뢰성이 더욱 중요해진다.

이를 해결하기 위해 변치 않는 상수인 플랑크 상수(h) 값을 이용해 물체의 질량을 구현하는 장치인 키블저울이 고안됐다. 키블저울은 질량, 중력가속도, 전기, 시간, 길이 등 수많은 측정표준의 집합체로서 모든 측정의 불확도가 10-8(1억 분의 1) 수준으로 구현돼야 한다.

KRISS 플랑크상수질량팀은 2012년 연구를 시작해 2016년 처음으로 키블저울을 설치했다. 당시 각 요소의 측정 불확도는 10-6 수준이었고 전체 측정 불확도는 10-6 수준에 미치지 못했다.

연구팀은 2016년부터 지금까지 △직선 운동 향상을 위한 메커니즘 구현, △등속 운동을 위한 고속 제어 알고리즘 적용, △자석의 균일도 향상, △전기 잡음 원인 분석을 통한 잡음 개선, △전자기력과 중력 간의 정렬 방법 제안 등 모든 부분을 개선해 1.2×10-7 수준의 최종 결과를 얻게 됐다.

현재 키블저울을 이용해 구현한 세계 최고 수준의 불확도는 약 1×10-8 수준으로 캐나다, 미국만이 구현하고 있다. 하지만 두 나라 사이 결과의 불일치가 여전히 존재하므로 이를 해결하기 위해 향후 10여 년간 5번 정도의 추가적인 국제비교가 진행될 예정이다.

김동민 책임연구원은 “캐나다, 미국 등 선진국보다 30년 이상 늦게 시작한 연구지만 최단기간 내 키블저울을 개발, 국제비교에 참가할 수 있게 돼 뿌듯하다”라며, “향후 국제비교에서도 좋은 결과를 낼 수 있도록 최선을 다하겠다”라고 말했다.

이광철 책임연구원은 “그동안은 원기를 보관하고 있는 프랑스가 질량 기준을 이끌었지만, 앞으로는 키블저울을 개발하는 국가가 역할을 분담하게 될 것”이라며, “기술 종속국이 아닌 기술 주도국으로써 첨단 산업 발전의 기틀을 마련하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아(Metrologia - IF: 3.447)에 온라인 게재됐다.

[참고 자료]

연구성과 추가 설명

□ 단위 재정의 관련 내용

2018년 제 26차 국제도량형총회(CGPM)에서 기본단위인 킬로그램(kg), 암페어(A), 켈빈(K), 몰(mol)을 변하지 않는 자연 상수로부터 소급할 수 있도록 재정의하는 안건이 의결되었고, 개정된 단위가 2019년 5월 20일(세계측정의 날)부터 공식적으로 사용되고 있다.

1. 기존 단위 정의 방식의 문제점 - ‘인공물로 만든 정의’는 언젠가 변화

- 질량의 단위 kg: 1889년 백금과 이리듐 합금의 인공물(국제킬로그램원기)의 질량을 1 kg 국제표준으로 삼았으나, 원기의 질량이 100여 년 동안 약 수십 ㎍ 변한 것으로 추정된다.

2. 질량 단위 킬로그램(kg) 재정의를 위한 ‘키블 저울(Kibble Balance)’

- 키블저울은 1975년 영국표준기관의 브라이언 키블에 의해 제안되었고, 측정 대상에 가해지는 중력과 전자기력을 비교해서 측정 대상의 질량을 알아내는 저울이다. 키블저울 실험을 통해서 킬로그램을 구현하는 실험은 일반적으로 다음과 같이 두 단계로 이루어진다.

첫 번째 단계에서는 측정 대상에 가해지는 중력과 전자기력을 비교한다. 원형 코일이 균일한 자기장 속에 있으며 코일에 전류를 흘려 측정 대상에 가해지는 중력과 동일한 크기를 갖는 전자기력을 발생시킨다. 전자기력은 자석과 코일의 형상에 의해 결정되는 기하 인자와 코일에 흐르는 전류의 곱의 크기를 갖는다.

두 번째 단계에서는 기하 인자를 알아낸다. 코일을 중력 방향으로 움직이면 기하 인자와 속도의 곱에 해당하는 코일 전압이 발생한다. 측정 대상의 질량은 코일 전압, 전류, 코일 속도, 중력가속도로 표현된다. 전압과 저항과 같은 전기량은 조셉슨 효과와 양자홀 효과와 같은 양자현상을 이용하여 측정한다. 코일 속도와 중력가속도는 빛의 속력과 세슘 주파수를 기준으로 측정한다. 그러므로 키블저울 실험을 이용하여 빛의 속력 c, 세슘 주파수 νCs, 플랑크 상수 h, 기본전하 e 등 고정된 값을 가지는 4개의 물리상수에 소급되는 물체의 질량을 알아낼 수 있다.

키블저울은 질량, 중력가속도, 전기, 시간, 길이 등 수많은 측정표준의 종합체로서 모든 측정의 불확도가 10-8 수준으로 구현되어야 한다.

전 세계적으로 키블저울을 제작해 운영하는 국가는 6곳뿐이며, 미국과 캐나다 등의 측정표준기관이 구한 플랑크 상수의 평균값(6.626 070 15×10-34 J s)이 국제적으로 채택되었다.

□ 키블저울 연구의 기대 효과

1. 질량 원기 보유 - 측정과학 선진국 도약

KRISS 플랑크상수질량팀이 달성한 결과를 토대로, 추가적인 연구를 수행하여 1×10-8 수준의 불확도를 달성해 미국, 캐나다 국가측정표준기관의 측정값 불일치를 해결하는데 기여할 수 있다면 대한민국도 세계적 수준의 질량 원기를 자체적으로 보유한 세계에서 몇 안 되는 나라가 될 것이다.

2. 질량 측정의 장기 안정성 및 신뢰성 - 반도체, 제약 등 첨단 산업 발전에 기여

변하지 않는 기본상수를 이용해 질량을 측정하는 키블저울을 이용하여 1×10-8 수준의 불확도를 확보하면, 질량측정의 장기 안정성과 신뢰성을 보장할 수 있게 된다. 일상생활에는 아무런 영향을 미치지 않지만, 불변의 단위는 미래 과학기술과 산업의 발판을 마련하는 가장 기본적인 준비이다. 키블저울을 통해 확보한 기술력을 토대로, 반도체, 제약 분야 등 첨단 산업에서 극 미세량의 질량까지도 정확히 측정할 수 있게 되어 산업적으로 큰 기여를 할 것으로 기대하고 있다.

□ 연구성과 이미지