기존 1 kg 원기 대신할 키블저울 이용, 첫 국제비교 참가 성공
극히 미세한 질량까지 정확히 측정, 미래 첨단 산업에 활용 기대

표준과학연구원 플랑크상수질량팀. 왼쪽부터 서민기 선임연구원, 이광철·김동민 책임연구원, 김명현 선임연구원. 사진=KRISS 제공
표준과학연구원 플랑크상수질량팀. 왼쪽부터 서민기 선임연구원, 이광철·김동민 책임연구원, 김명현 선임연구원. 사진=KRISS 제공
영원히 변하지 않는 질량 기준이 순수 국내기술로 구현됐다. 미세한 질량까지 정확히 측정가능해 미래 첨단 산업에 활용이 기대 된다.

한국표준과학연구원이 순수 국내기술로 개발한 키블저울을 이용해 질량의 단위인 킬로그램 측정값을 구현해 국제비교 참가에 성공했다고 10일 밝혔다.

질량의 단위인 킬로그램은 백금과 이리듐을 합금한 금속 원기의 질량을 1㎏으로 정의해 사용해 왔다. 그러나 100여 년 동안 약 수십 마이크로그램(㎍, 100만분의 1 g)이 변한 것으로 추정돼 정확성에 문제가 제기됐다. 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 10-16(1억 분의 1) 수준으로 구현돼야 한다.

표준연 플랑크상수질량팀은 2012년 연구를 시작해 2016년 처음으로 키블저울을 설치했다. 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 1.2×10-15 수준의 최종 결과를 얻게 됐다. 현재 키블저울을 이용해 구현한 세계 최고 수준의 불확도는 약 1×10-16 수준으로 캐나다, 미국만이 구현하고 있다.

이번 국제비교에 참가하기 위해서는 불확도(측정값을 의심하는 정도) 2×10-15 이하의 선제조건이 요구됐다. 표준연은 1.2×10-15의 불확도를 달성했으며 NRC(캐나다), NIST(미국), BIPM(국제도량형국), NIM(중국) 등 총 5개 표준기관이 키블저울 실험을 이용해 참가했다. 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. 조남형 기자

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