- 표준연, 英 물리학회 ‘노벨상 컬렉션’ 첫 초청논문 집필 주도

- 그래핀 양자저항표준 15년 성과 집대성, 국제 측정지침 제정

채동훈 KRISS 책임연구원이 그래핀 양자저항표준 소자를 측정 장치에 장착하고 있다.[KRISS 제공]
채동훈 KRISS 책임연구원이 그래핀 양자저항표준 소자를 측정 장치에 장착하고 있다.[KRISS 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀이 실험실을 넘어 국가 전기저항 표준기술로 실용화됐다. 국내 연구진이 그래핀을 활용한 초정밀 전기저항 측정기술의 15년 연구성과를 집대성하고, 세계 각국이 활용할 국제 측정기준 마련에도 핵심 역할을 했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 영국물리학회 출판사(IOP Publishing)가 기획한 ‘노벨상 컬렉션’의 첫 번째 초청논문 집필을 주도했다고 11일 밝혔다.

이번 논문은 100년 역사를 지닌 세계적인 측정 전문 학술지 ‘Measurement Science and Technology(MST)’의 공식 초청으로 작성됐다. KRISS 채동훈 책임연구원이 제1저자이자 교신저자로 논문 집필을 주도했으며, 독일 표준연구소(PTB)와 스웨덴 표준연구소(RISE) 연구진이 공동저자로 참여했다.

그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 원자 한 층 두께의 물질이다. 2004년 처음 분리된 이후 2010년 노벨물리학상 수상으로 주목받으며 차세대 반도체와 센서 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 제시됐다.

하지만 20여년이 흐른 지금도 상당수 응용 분야는 실험실 수준을 벗어나지 못하고 있다. 반면 전기저항 국가표준 분야에서는 그래핀의 고유한 특성을 활용한 기술이 실제 정밀 측정에 사용되고 있다. 연구진은 이를 그래핀 기술이 최고 기술성숙도인 9단계에 도달한 대표적인 실용화 사례로 평가했다.

핵심은 1985년 노벨물리학상 수상 연구인 ‘양자홀효과’다. 극저온과 강한 자기장에서 전기저항이 일정한 값으로 나타나는 현상을 이용해 자연의 기본상수에 기반한 초정밀 저항 기준을 구현한다.

기존 갈륨비소 기반 양자저항표준은 절대온도 2켈빈(K) 이하의 극저온과 10테슬라(T) 수준의 강한 자기장이 필요했다. 이 때문에 값비싼 액체헬륨을 사용하는 대형 냉각장비가 필수적이었다.

KRISS가 자체 제작한 그래핀 양자저항표준용 소자.[KRISS 제공]
KRISS가 자체 제작한 그래핀 양자저항표준용 소자.[KRISS 제공]

반면 그래핀 소자는 약 4K와 5T 수준에서도 안정적으로 작동한다. 액체헬륨을 지속적으로 공급할 필요가 없는 소형 냉동장치로 연중 가동할 수 있어 장비 운용 부담을 크게 줄일 수 있다.

정확도도 입증됐다. 국제비교에서 그래핀 소자와 기존 갈륨비소 소자의 측정 결과는 상대불확도 10억분의 1 이하 수준에서 일치했다.

이번 논문에는 그래핀 양자저항표준의 기술 발전 과정과 국제 검증 결과, 향후 활용 가능성 등이 담겼다. 연구진은 전기저항을 넘어 임피던스와 전류 측정으로 활용 범위를 넓히고, 전압·저항·전류 표준을 하나의 장치에 구현하는 차세대 양자전기표준의 가능성도 제시했다.

KRISS는 그래핀 양자저항표준의 국제 측정지침 제정에도 참여하며 기술력을 인정받았다.

국제도량형위원회 산하 전기자기자문위원회(CCEM)는 지난 6월 그래핀 소자의 특성을 반영한 양자저항 측정 가이드라인을 발간했다. KRISS는 미국 국립표준기술연구소(NIST), 독일 PTB 등 11개국 표준기관 연구진과 함께 집필에 참여했다.

특히 KRISS가 독자 제작한 그래핀 소자의 측정 결과가 국제 가이드라인의 대표 사례로 수록됐다. 냉동장비 진동을 줄이기 위한 KRISS 연구성과도 장비 운용 권고의 근거로 인용됐다.

채동훈 KRISS 책임연구원은 “지난 15년간 그래핀 양자저항표준 연구에 매진하며 쌓아온 글로벌 연구 협력 네트워크가 초청논문과 국제 가이드라인 발간이라는 결실로 이어졌다”며 “측정 분야의 후발주자였던 한국이 측정 선진국들과 어깨를 나란히 했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.


nbgkoo@heraldcorp.com