메가옴(MΩ)급 ‘불변의 저항표준’ 실현 눈앞에- 한·일 공동연구 결과… 국가 측정 경쟁력 입증

메가옴(MΩ)급 ‘불변의 저항표준’ 실현 눈앞에- 한·일 공동연구 결과… 국가 측정 경쟁력 입증

 

2018-09-19관리자

 

 

메가옴(MΩ)급 ‘불변의 저항표준’ 실현 눈앞에
 - 한·일 공동연구 결과… 국가 측정 경쟁력 입증 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 메가옴(MΩ)급의 높은 영역에서 표준으로 사용할 수 있는 불변의 고(高)저항 실현에 결정적인 역할을 했다.

KRISS 전자기표준센터 채동훈 책임연구원팀은 1 메가옴(MΩ)의 양자 고저항을 실현하는 데 핵심적인 기여를 했다. 일본과 공동으로 수행한 이번 연구에서 KRISS는 양자저항의 연결로 만들어진 고저항값이 시간에 따라 불변한다는 양자역학적인 성질을 최초로 검증했다.

   * 1 메가옴(MΩ): 1,000,000 옴(Ω). 옴(Ω, Ohm)은 전기저항의 단위

모든 전자기기가 제대로 작동하기 위해서는 회로의 기본 요소로 저항이 들어가야만 한다. 그리고 저항을 믿고 사용할 수 있도록 기준 역할을 하는 것이 바로 저항표준이다. 저항값이 실제와 다르면 전류, 전압에도 영향을 미쳐 제품 자체에 큰 문제를 일으키기 때문에 많은 산업체들은 저항표준을 적용하여 전자기기의 품질을 보증하고 있다.

저항은 1980년대 독일의 폰 클리칭 교수가 발견한 양자홀(Hall) 효과를 기반으로 불변의 표준값, ‘양자홀저항’을 갖게 되었다.

 ◦ KRISS는 2008년 양자홀저항표준시스템을 독자적으로 개발, 국가 저항표준으로 확립하여 운영 중에 있다.

하지만 과학기술의 발전은 또 다른 과제를 안겨주었다. 메가옴급 저항의 수요가 증가했음에도 양자홀저항은 10 킬로옴(kΩ) 수준이라 고저항 표준으로는 적절치 못했던 것이다. 이러한 이유로 지금까지는 금속으로 만든 실물을 고저항 표준으로 사용할 수밖에 없었다.

 ◦ 실물은 온도와 시간 등 주위 환경에 영향을 받을 수밖에 없다. 표준의 역할을 수행하기에 사실상 적합하지 않았던 것이다.

불변의 양자 고저항을 실현하고자 일본 표준기관인 NMIJ는 100여개의 양자홀저항을 직렬로 연결, 1 MΩ의 ‘양자홀 고저항 어레이(array)’를 제작했다. 그러나 이론을 바탕으로 만든 이 저항이 정확한 1 MΩ인지 검증하는 과정에서 측정기술의 한계에 부딪혔다. 이에 일본 연구진은 전기표준분야의 최상위 측정능력을 가진 KRISS에 공동연구를 제안했다.

 ◦ 높은 저항을 측정하기 위해서는 기존의 전류 크기를 1/100 정도로 감소시켜야하기 때문에 고도의 정밀측정기술이 요구된다.

KRISS 채동훈 책임연구원팀은 저온전류비교기(Cryogenic Current Comparator)를 이용하여 불확도 1억분의 1 수준의 초정밀 저항값 측정에 성공했다. 연구팀은 저온전류비교기를 이용하여 이미 확립된 양자홀저항표준과 새롭게 제작한 양자고저항을 직접 비교했다. 마치 저울의 양 팔에 물체를 올려놓고 비교하는 것과 같은 이치이다.

이제 메가옴급에서도 불변의 양자저항을 확보하게 됨으로써 과학계는 물론 산업 전반에 다양한 활용 가능성이 열리게 되었다. 양자 고저항이 존재해야 안정적으로 미소전류를 발생시키고 정밀 측정할 수 있기 때문이다. 미세먼지의 농도, 암 치료에 사용되는 방사선량 등 고도의 전류 측정이 필요한 많은 분야에 기술 혁신을 가져올 것으로 전망된다.

채동훈 책임연구원은 “양자 고저항은 산업 및 국민의 삶과 직접적으로 연관되는 수많은 분야에 활용될 수 있다”며 “전류 단위 암페어(A)의 재정의에서 중요한 역할을 할 단전자전류원의 정밀 평가에도 사용 가능하여 새로운 전류표준 확립에도 기여하는 바가 크다“고 말했다.

이번 연구결과는 국제도량형국(BIPM)에서 발행하는 국제적 측정과학분야 권위지인 메트롤로지아(Metrologia) 10월호에 게재될 예정이다.

붙임1
연구성과 관련 추가 설명

○ 용어 설명

1. 전기저항(electric resistance)
  ‧ 전류가 물체를 통과하기 어려운 정도를 나타내는 수치. 전기저항의 크기를 나타내는 단위는 옴(Ω)으로, 1 옴은 1 볼트(V)의 전압으로 1 암페어(A)의 전류가 흐를 때의 저항을 말한다.

2. 양자홀 효과(quantum Hall effect)
  ‧ 전자의 양자역학적인 파동성에 의해 외부 자기장이 가해질 때, 자기장에 따라 선형적으로 변하는 고전적인 홀 저항이 자기장에 대해서 불연속적으로 변화하게 되는 현상. 이때 양자화된 홀 저항의 값은 소자의 물질이나 기하학적인 변수와 관계없이 기본상수인 플랑크상수(h)와 전자의 기본전하(e)의 관계식으로 표현된다.
  ‧ 양자홀 효과를 이용한 양자홀저항(QHR, Quantum Hall Resistance)은 반복성과 재현성이 좋으며 전자의 전하와 플랑크 상수로 계산 할 수 있는 값이기 때문에 저항의 표준으로 사용된다. 

3. NMIJ(National Metrology Institute of Japan)
  ‧ 일본의 국가측정표준 대표기관 

4. 저온전류비교기(Cryogenic Current Comparator)
  ‧ 일반적으로 액체 헬륨 온도인 절대온도 4.2 도(섭씨 영하 268.95 도)에서 두 전류를 정확하게 비교하기 위한 장치. 초전도체에 의한 초전류(supercurrent)와 초전도양자간섭센서를 이용해 비교하고자 하는 직류전류의 크기를 정확하게 측정할 수 있다.
  ‧ 저온전류비교기는 저항 측정을 위한 브리지로 활용할 수 있으며, 극미소 전류 측정 및 증폭 등과 같은 표준분야 외에도 이온화된 입자빔의 측정과 같은 기초연구 분야에 응용할 수 있다. 

▲ ‘양자홀 고저항 어레이‘의 소자 회로도(a)와 자기저항측정결과(b)

▲ 양자홀저항표준(QHR)과 1 MΩ 양자홀 고저항 어레이(QHAR)
직접비교 및 간접비교의 상호검정 실험결과

○ 연구성과 활용 분야

1. 고저항 표준으로 사용가능
‧ 지금까지는 약 12.9 kΩ의 양자홀저항표준을 사용했으나 앞으로는 약 100배 큰 양자고저항표준을 구현할 수 있는 초석을 마련했다.

2. 이상적인 전류-전압(전압-전류) 양자변환기로 이용 가능
‧ 미소전류의 측정이나 발생에서 핵심적인 역할을 하는 이상적인 저항을 확보함으로서 미소전류 정밀측정에 혁신적인 향상을 기대할 수 있다. 현재 KRISS에서 수행중인 단전자전류원의 양자홀저항표준과 조셉슨전압표준에 소급되는 정밀측정실험에 이용 가능할 것으로 기대된다.

3. 미소전류측정 기반의 수많은 응용분야에 활용 가능
‧ 미소전류측정을 기반으로 하는 물리량 측정에 혁신적 도약을 기대할 수 있다. 예를 들어, 미세먼지 농도의 정밀측정이나 암치료에 사용되는 방사능선량 정밀측정을 향상시킬 수 있는 원천기술로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

 ○ 연구성과 에피소드

▲ 지난 7월 프랑스 파리에서 열린 국제정밀전자기측정컨퍼런스(CPEM,Conference on Precision Electromagnetic Measurements)에서 폰 클리칭 교수가 KRISS의 정밀측정 연구성과를 언급하고 있다.

‧ 양자홀 효과를 발견하여 1985년 노벨상을 수상했고, 지금의 저항표준을 있게 한 막스플랑크연구소의 클라우스 폰 클리칭(Klaus von Klitzing) 교수는 KRISS 채동훈 책임연구원의 박사후과정 지도교수였다. 이번 성과는 지도교수가 발견한 양자현상을 바탕으로 수년간 연구에 매진하여 새로운 양자측정연구성과를 냈다는 점에서도 의의를 가지는 것이다. 폰 클리칭 교수는 양자고저항표준이 가진 잠재력을 높이 평가하며 특별한 의미를 부여하고 있다.

붙임2
연구성과 관련 사진

▲ KRISS 채동훈 책임연구원이 표준으로 사용 가능한 불변의 양자 고저항을 측정하고 있다.

▲ KRISS 채동훈 책임연구원이 표준으로 사용 가능한 불변의 양자 고저항을 측정하고 있다.