전자 하나씩 내보내는 '단전자 펌프'로 미세전류 표준 실현 앞당겨-단전자 전류, 세계 최초로 저항·전압 표준기와 상호비교 검증

전자 하나씩 내보내는 '단전자 펌프'로 미세전류 표준 실현 앞당겨-단전자 전류, 세계 최초로 저항·전압 표준기와 상호비교 검증

 

2021-01-29관리자

 

전자 하나씩 내보내는 ‘단전자 펌프’로
미세전류 표준 실현 앞당겨
- 단전자 전류, 세계 최초로 저항‧전압 표준기와 상호비교 검증 -
- 반도체 효율, 미세먼지 농도 등 미세전류 사용 분야에 정확성 향상 기대 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 1 나노 암페어(nA, 10-9A) 이하 미세전류 표준을 가장 정확하게 구현할 수 있는 장치를 개발, 세계 최초로 저항·전압 표준 장치와 비교 검증하는 데 성공했다.

◦ 연구팀이 개발한 방식은 소위 ‘양자측정표준 삼각체계(Quantum Metrology Triangle, QMT)’의 측정 플랫폼으로 측정한 세계 최초의 결과다.

전류는 반도체 효율, 미세먼지의 농도, 암 치료에 사용되는 방사선량 측정 등 일상생활부터 다양한 산업까지 사용되는 필수적 요소다. 피코 암페어(pA, 10-12A) 수준의 미세전류를 정확히 측정하고 교정하려면 믿을 수 있는 전류 표준이 필요하다.

그러나 현재의 전류 표준은 저항과 전압보다 100배 이상 정확성이 떨어진다. 현재 표준 저항값‧전압값은 각각의 고유 양자 상태에서 발현되는 저항과 전압에 의해 주어지지만, 전류는 아직 이에 대응되는 소자가 개발되어 있지 않아 다른 이차적인 방법을 사용하기 때문이다.

‘옴의 법칙’을 보면 알 수 있듯 전류, 저항, 전압은 떼려야 뗄 수 없는 관계다. 전류의 세기는 전압에 비례하고 저항에 반비례하기에, 셋 중 둘의 값만 정확하게 안다면 나머지 하나를 유도해서 구할 수 있다.

KRISS를 포함한 세계 각국 측정표준기관에서는 전압표준기와 저항표준기를 이용한 방식을 사용해 전류 표준을 구현해 왔다. 그러나 이 방법 외에, 전류 표준의 사전적 정의*를 그대로 구현할 가장 확실한 방법은 1 초당 흐르는 전자의 개수를 직접 재는 것이다.

* 현재의 전류 단위인 1 암페어(A)의 정의는 1 초당 6.241 509 07×1018개의 전자 흐름에 해당한다.

KRISS 전기자기표준그룹 연구팀은 전자의 개수를 측정해 전류 단위를 정의할 수 있는 ‘단전자 펌프 소자’를 개발, 이의 정확성을 QMT 플랫폼*을 이용한 방법으로 세계 최초로 검증했다. 즉, 연구팀이 개발한 장치를 통해 발생한 단전자 전류의 크기를 조셉슨전압 표준기와 양자홀저항 표준기와 비교 검증하는 데 성공한 것이다.

* 양자측정표준 삼각체계(Quantum Metrology Triangle, QMT): 새롭게 정의되는 암페어를 실현하는 방식과 기존 암페어를 구현하는 방식의 일치 여부 검증 방법

KRISS 연구팀이 개발한 ‘단전자 펌프 소자’는 물을 계속해 끌어올리는 양수기(펌프)와 비슷한 개념으로, 전자를 담는 양자 우물을 이용해서 일정한 시간 간격으로 전자를 하나씩 퍼 담아 내보내는 방식으로 전류를 만들어 낸다.

이 장치는 1 초에 약 1억 개 전자가 흘러갈 때, 약 40개의 에러가 발생하는 수준의 정확성을 갖는다. 세계 최고 수준인 영국, 독일 표준기관과 동일한 기술력이다.

KRISS 배명호 책임연구원은 “이번 성과는 KRISS가 이미 확보한 저항, 전압 표준이 있었기에 가능했던 일”이라며, “세계적 수준의 측정 능력으로 미세전류 표준을 선도한다는 자부심을 느끼며, 앞으로도 관련 연구를 지속적으로 수행할 계획”이라고 말했다.

한국표준과학연구원 주요사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 측정과학분야의 국제적 학술지인 메트롤로지아(Metrologia – IF: 3.447)에 게재됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명

□ 용어 설명

○ 옴의 법칙(V=IR)
전류, 저항, 전압 사이의 관계를 나타내는 법칙. 전류의 세기(I)는 전압(V)의 크기에 비례하고 저항(R)의 크기에 반비례함

○ 양자측정표준 삼각체계(Quantum Metrology Triangle, QMT)
새롭게 정의되는 암페어를 실현하는 방식과 기존 암페어를 구현하는 방식의 일치 여부 검증. 세 개의 양자 전기 소자인 △단전자 전류원, △조셉슨전압 표준기, △양자홀저항 표준기 등이 옴의 법칙으로 상호 검증이 가능하다는 양자전기 체계의 일치성 검증 문제

○ 단전자 펌프 소자
- 2015년 KRISS가 개발한 장치로, 전하를 띈 기본 입자인 전자를 외부 마이크로웨이브에 의해 한 개씩 주기적으로 발생시킴(펌프가 지하수를 끌어 올려 물을 만드는 것과 유사)
- 단전자 펌프 소자는 다른 단위에 의존하지 않고 전자의 흐름만으로 전류 단위를 정의할 수 있음. 전류의 양은 전자의 전하량과 발생빈도의 곱으로 구할 수 있기에 전자를 발생시키는 단전자 펌프만 있으면 전류 단위 암페어(A)에 대한 새로운 표준 정립 가능
- KRISS 단전자 펌프 소자의 기술력은 최고 수준인 영국 표준기관(NPL)과 동일

□ 연구성과 이미지 및 상세 설명

○ 전류 단위 암페어(A) 정의

- 2018 단위 재정의 이전의 정의 (~2018.11.16.)
암페어는 무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1 미터의 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 매 미터당 2×10-7 N의 힘을 생기게 하는 일정한 전류이다. (1948년 제정)

- 2018 단위 재정의 이후의 정의 (2018.11.16.~)
암페어(기호: A)는 전류의 SI 단위이다. 암페어는 기본전하 e를 C 단위로 나타낼 때 1.602 176 634 ☓ 10-19이 되도록 정의된다. 여기서 C는 A s와 같은 단위이다.

- ‘애매한 표현이 사용된 정의’는 혼란을 야기
2018년 단위 재정의 이전 정의인 ‘무한히 길고 무시할 수 있을 만큼’은 모호하고 실현이 어렵다. 현재 각 나라의 표준기관에서는 저항표준기와 전압표준기가 있어 옴의 법칙 (전류=전압/저항)을 이용하는 간접적인 방법으로 암페어를 구현

 

 

▲ 양자측정표준 삼각체계 실현 모식도

 

▲ 비교 실험 현장 사진

○ 어디에 사용할 수 있나?

1. 미세전류 누설량 측정(나노급 반도체 소자, 트랜지스터 등)
반도체 소자, 트랜지스터 간 전류가 누설되면 전력 소비량이 늘어난다. 쓰지 않는 전류가 새면서 낭비량이 커진다. 소자 자체에도 열이 발생해 에러 발생이 잦아지고, 수명이 단축된다. 누설전류는 피코(pA) 암페어 레벨로 크기가 매우 작은데, 얼마만큼 정확하게 측정해서 교정하느냐에 따라 에너지 효율이 결정될 수 있다.

2. 미세먼지, 환경 방사능 분야 정밀 측정
미세먼지, 각종 환경 방사능 등은 전류로 측정한다. 측정기기에 분진이 붙거나 방사능 물질이 들어오면, 미세한 전류 신호를 감지하는 식이다. 전류 표준 확립을 통해 환경 관련 분야의 정확한 표준을 보급하는 데 의미가 있다.

3. 전력기기 교정 가능(현재 개발하고 있는 ‘통합형 냉동 표준 보급기’ 이용)
전류·저항·전압 표준을 통합해서 제공할 수 있는 ‘통합형 냉동 표준 보급기’를 제작, 개발하고 있다. 이를 이용하면 누구나 쉽게 전기에 대한 표준을 알 수 있고, 전력기기를 교정하는 등 손쉬운 사용을 할 수 있다.
○ 에피소드가 있다면?

KRISS는 지난 10여 년간 단위 시간당 흐르는 전하량을 제어하기 위해 수십 nm(나노미터) 크기의 인공 원자인 반도체 양자점을 제작하고, 마이크로파에 동기화된 전압을 양자점에 가해 양자점을 통해 흐르는 전자들의 개수를 정확히 제어하는 연구를 진행해 왔다.
‘단전자 펌프 소자’에 사용되는 ‘단전자 전류원’은 한국과학기술연구원(KIST)의 MBE 성장팀에서 공급받은 III-V족 화합물 반도체 GaAs/AlGaAs기반 고품질 2차원 전자가스 기판을 소재를 통해 개발했다.
양자홀 어레이 저항 표준기와 단전자 전류원은 10 T의 자기장과 1 K 미만의 온도에서 작동하며, 조셉슨 전압 표준기는 4.2 K의 액체 헬륨 온도에서 작동한다.
세 개의 양자 소자들을 운용하는 세 개의 냉동기가 서로 영향을 주지 않도록 한 실험실에 비치하고, 각 냉동기에서 나오는 신호선들을 진동이나 전자기적인 간섭을 받지 않도록 10 m가 넘는 거리를 서로 잘 연결하는 작업을 거쳤다.

○ 논문 관련 정보

- 논문명: “Precision measurement of single-electron current with quantized Hall array resistance and Josephson voltage” Metrologia, 2020.12. (IF: 3.447)
- 논문 주소: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/abb6cf/meta

 

붙임2
연구성과 관련 사진

▲ KRISS 전기자기표준그룹 연구팀

▲ KRISS 연구팀이 단전자 펌프 소자 실험을 진행하고 있다.

▲ KRISS 연구팀이 단전자 펌프 소자 실험을 진행하고 있다.

 

붙임3
배명호 책임연구원 프로필

1. 인적사항
○ 성 명 : 배명호
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 전기자기표준그룹
○ 직 위 : 책임연구원

 

2. 경력사항
○ 2007–2008, 어바나-샴페인 일리노이주립대학교 물리학과 박사후연구원
○ 2009–2011, 어바나-샴페인 일리노이주립대학교 전자공학과 박사후연구원
○ 2012–2012, 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 2013–현재, 한국표준과학연구원 책임연구원

3. 학회활동
○ 한국물리학회 정회원

4. 전문 분야 정보
○ 전류 측정 분야 측정표준 확립

5. 발표논문 및 특허
○ “Precision measurement of a potential-profile tunable single-electron pump” Metrologia 2015. 2. 등 SCI급 다수