완전한 국가저항표준체계, KRISS 자체 기술로 확립
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다. 한국의 표준연구기관인 KRISS의 첨단 정밀소자 제작기술 역량을 보여주는 쾌거로써 향후 이를 세계에 보급할 전망이다.
현재 저항표준체계는 GaAs(갈륨비소) 반도체 기반의 양자홀 소자가 표준저항으로 사용되고 있다. 그러나 극저온(1.5 K* 이하)과 고자기장(10 T** 이상)의 동작 환경이 필요해 작동시키기가 복잡하고 매우 어려웠다.
* 켈빈(Kelvin, 기호: K): 켈빈은 열역학적 온도 혹은 절대온도의 단위로 국제단위계의 기본단위이며, 기호로 K를 사용한다.
** 테슬라(Tesla, 기호: T): 테슬라는 자기선속밀도(magnetic flux density) 혹은 자기장(magnetic field)의 단위로 국제단위계의 유도단위이며, 기호로 T를 사용한다.
반면 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀으로 만들어진 표준저항소자의 경우 독특한 물리적 성질로 인해 상대적으로 높은 온도(4.2 K 이상)와 낮은 자기장(5 T 이하)의 효율적인 실험환경에서 표준저항 구현이 가능하다.
또한, 차세대 양자 전기 표준체계 중 하나인 교류(AC) 양자홀 표준저항으로 응용할 수 있어 PTB(독일), NIST(미국) 등 세계 주요 측정표준기관들은 기존 표준저항소자를 그래핀으로 대체하는 연구를 진행하고 있다.
차세대 양자 전기표준체계는 교류 양자홀 표준저항 또는 교류 양자전압의 구현을 통해 임피던스 표준에 소급을 주는 방식을 사용한다. 직류를 사용하는 기존 방식보다 작은 불확도를 줄 수 있어 정밀측정 분야에 기술혁신을 가져올 수 있다.
KRISS 전자기표준센터 연구팀*은 1600 ℃ 이상의 고온에서 고품질 탄화규소 그래핀을 성장하고, 이에 적합한 소자 공정 기술을 개발했다. 이를 이용해 그래핀 기반 양자홀 단일 표준 저항(12.9 kΩ)과 10개의 소자가 직렬로 연결된 ‘129 kΩ의 그래핀 기반 양자홀 고저항 어레이(array) 소자’ 제작에 성공했다.
* KRISS 전자기표준센터 연구팀: 박재성, 채동훈, 김완섭 책임연구원
자체적으로 고품질 탄화규소 그래핀을 성장해 양자홀 단일소자까지 구현한 곳은 PTB(독일), NIST(미국)에 이어 세계에서 세 번째다. 10개의 양자홀 단일소자를 직렬로 연결한 ‘정밀 양자홀 고저항 어레이 소자’의 구현은 세계최초다.
KRISS는 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 독자적으로 개발해 국가저항표준시스템을 확립·유지하고 있다. 그러나 기존 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 수급받고 있었기에 이번 성과를 통해 완전한 국가저항표준체계*의 확립이라는 쾌거를 달성하게 됐다.
* 국가저항표준체계 : 국가저항표준시스템(정밀측정시스템)과 표준저항소자를 모두 갖춘 상태
박재성 책임연구원은 “KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자를 올해부터 해외측정표준기관에 보급해 국제비교할 예정”이라며, ”이번 성과는 양자 전류표준 분야로 응용이 가능하여, 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상 등에 크게 기여할 것“이라고 밝혔다.
KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 응용물리분야의 국제학술지 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letters, IF: 3.521) 3월호에 게재됐다.
연구성과 추가 설명
○ 용어 설명
1. 그래핀
‧ 2004년 영국, 멘체스터 대학교, 가임(Adrei Geim, 2010 노벨물리학 수상) 그룹에 의해 발견된 그래핀은 독특한 특성으로 인해 기초 물리 연구뿐만 아니라 배터리, 캐패시터 등 에너지 관련 응용 분야에도 주목을 받고 있다.
‧ 탄화규소 (SiC, 실리콘 카바이드) 기판을 고온으로 가열하면 실리콘 원자가 표면에서 승화되어 단층 그래핀이 형성되고, 이렇게 만들어진 탄화규소 그래핀은 여러 종류의 그래핀 중 표준저항으로 실현된 유일한 물질이다.
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 현상이다. 이때 양자화된 홀 저항의 값은 소자의 물질이나 기하학적인 변수와 관계없이 기본상수인 플랑크상수(h)와 전자의 기본전하(e)의 관계식으로 표현된다.
‧ 양자홀 효과를 이용한 양자홀 저항(QHR, Quantum Hall Resistance)은 반복성과 재현성이 좋으며 전자의 전하와 플랑크 상수로 계산할 수 있는 값이기 때문에 저항의 표준으로 사용된다.
3. 불확도
‧ 측정에 있어 불확실한 정도, 즉 측정값에 존재하는 의심의 정도다.
‧ 측정값은 늘 불확실성을 가지므로, 측정값 이외에도 불확도 값을 함께 나타내는 것이 올바르다.
4. PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)
‧
독일의 국가측정표준 대표기관
5. NIST(National Institute of Standards and Technology)
‧ 미국의 국가측정표준 대표기관
○ 연구성과 활용 분야
1. 양자홀 표준 저항 소자 보급을 통한 국제 표준화 선도
‧ 그래핀 기반 양자홀 표준저항을 전 세계 측정표준기관에 보급해 국제 표준화에 기여할 수 있다. 또한, 양자 기반 저항 어레이 기술을 이용한 다양한 표준저항을 확보해 전기 표준체계에 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 이상적인 전류-전압(전압-전류) 양자변환기로 이용 가능
‧ 미세전류의 측정이나 발생에서 핵심적인 역할을 하는 이상적인 고저항을 확보함으로써 미세전류 구현 및 정밀측정의 혁신적인 향상을 기대할 수 있다.
3. 새로운 단위 체계를 따르는 질량의 단위 ‘kg’ 실현, 미세전류 정밀측정 등에 응용
‧ 그래핀 기반의 양자홀 어레이 소자 기술을 통해, 단위 재정의에 의한 질량의 단위 ‘kg’의 실현에 기여할 수 있다. 양자홀 고저항 어레이 소자를 이용한 미세전류 발생 및 측정 기술은 미세먼지와 같은 나노입자 측정기나 암 치료에 사용되는 방사능선량 정밀 측정기의 측정 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
○ 논문명 및 링크
‧ 논문명 : “Realization of 5 with graphene quantum Hall resistance array”
○ 지원사업 정보
‧ 한국표준과학연구원 주요사업
‧ 한국연구재단 한-EU 공동연구 사업
전자기표준센터 연구팀 프로필
1. 인적사항
○ 성 명 : 박재성
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 전자기표준센터
○ 직 위 : 책임연구원
○ 전 화 : 042-868-5655
○ e-mail : jspark99@kriss.re.kr
2. 학력
○ 충남대학교 섬유공학과(기계공학·물리학 복수 전공) 학사(1999～2005)
○ 포항공과대학교 화학과 석박통합(2005～2010)
3. 경력사항
○ 2020～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
○ 2014～2020 : 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 2013～2014 : 한국표준과학연구원 박사후연구원
○ 2011～2013 : 서울대 화학과 박사후연구원
○ 2010～2011 : 포항공대 화학과 박사후연구원
4. 수상실적
○ 2017 : 출연(연) 연구 창조 부문 우수 논문 수상
5. 전문 분야 정보
○ 탄화규소 그래핀 소재 및 양자홀 표준저항소자 개발
○ 2차원 물질 소자 제작 및 관련 기술 개발
6. 발표논문 및 특허
○ “Realization of 5 with grpahene quantum Hall resistance array”, App. Phys. Lett, 116 (9), 093102 (2020) 등 40여 편
1. 인적사항
○ 성 명 : 채동훈
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 전자기표준센터
○ 직 위 : 책임연구원
○ 전 화 : 042-868-5166
○ e-mail : dhchae@kriss.re.kr
2. 학력
○ 충남대학교 물리학과 학사(1992～1996)
○ 포항공과대학교 물리학과 석사(1996～1998)
○ The University of Texas at Austin 물리학과 박사(2000～2006)
3. 경력사항
○ 2012～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
○ 2006～2012 : Max Planck Institute for Solid State Research 박사후연구원 (지도교수: 클라우스 폰 클리칭(Klaus von Klitzing), 노벨물리학상 1985)
4. 수상실적
○ 2013~2020 : 한국과학기술한림원 한림선도과학자
○ 2019 : 한국표준과학연구원 우대연구원
5. 전문 분야 정보
○ 양자홀 저항 정밀측정 및 양자현상기반 전기표준구현
6. 발표논문 및 특허
○ “Quantum mechanical current-to-voltage conversion with quantum Hall resistance array”, Metrologia, 57, 025004 (2020) 등 30여 편
1. 인적사항
○ 성 명 : 김완섭
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 전자기표준센터
○ 직 위 : 책임연구원
○ 전 화 : 042-868-5160
○ e-mail : ws2kim@kriss.re.kr
2. 학력
○ University of Duisburg-Essen (독일) 물리학과 학사(1987～1990)
○ University of Duisburg-Essen (독일) 석사(1990～1993)
○ University of Duisburg-Essen (독일) 물리학 박사(1994～1998)
3. 경력사항
○ 2004～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
○ 2002～2004 : 한국표준과학연구원 선임연구원
○ 1999～2001 : 한국표준과학연구원 박사후연구원
4. 수상실적
○ 2008 : 한국표준과학연구원 이달의 KRISS인상
○ 2013 : 국무총리 표창
○ 2019 : 산업통상자원부 장관상(우수논문상)
○ 2019 : 과학기술정보통신부 과학기술포장
5. 전문 분야 정보
○ 양자홀 저항 정밀측정, 저전류 표준 및 임피던스 표준
6. 발표논문 및 특허
○ “Traceability chain at KRISS from dc quantum Hall resistance to farad using coaxial bridges”, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement 68, 1941 (2019) 등 60여 편
