기존 1㎏ 원기 대신할 키블저울 이용해 첫 국제비교 실행
극미세 질량까지 정확히 측정, 미래첨단산업 활용 기대
키블저울은 전자기력으로 물체에 작용하는 중력을 가늠해 고정된 물리상수 값을 기준으로 대상물의 질량을 측정하는 장비다.
각 나라의 측정값을 비교키 위해 분야별로 국제비교가 실행되고 있으며 표준연이 참가하는 이번 국제비교는 단위 재정의 이후 국제 질량 눈금을 정하기 위한 첫 번째 국제비교다.
질량비교기가 있는 BIPM(국제도량형국)에 각 나라의 측정값을 보내 비교하는 방식으로 진행되며 이번 국제비교에 참가하기 위해서는 불확도 2×10-7(2X10의 마이너스 7승) 이하의 선제조건을 만족해야 한다.
표준연은 1.2×10-7 (1.2X10의 마이너스 7승) 의 불확도를 달성, 매우 높은 수준을 확보 중이며 NRC(캐나다), NIST(미국), BIPM(국제도량형국), NIM(중국) 등 총 5개 표준기관이 이번 키블저울 국제비교에 참가했다.
질량의 단위인 킬로그램은 백금과 이리듐을 합금한 금속 원기의 질량을 1㎏으로 정의해 사용해 왔으나 100여 년 흐르면서 약 수십 마이크로그램(㎍·100만분의 1g)이 변한 것으로 추정돼 정확성에 문제가 제기됐다.
이에 따라 변치않는 상수인 플랑크 상수(h) 값을 이용해 물체의 질량을 구현하는 장치인 키블저울이 고안됐다. 키블저울은 질량, 중력가속도, 전기, 시간, 길이 등 수많은 측정표준의 집합체로 모든 측정의 불확도가 10-8(1억 분의 1) 수준으로 구현돼야 한다.
표준연 플랑크상수질량팀은 지난 2012년 연구를 시작해 2016년 처음으로 키블저울을 설치했다. 당시 각 요소의 측정 불확도는 10-6(10마이너스 6승) 수준이었고 전체 측정 불확도는 10-6 수준에 미치지 못했다.
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 1.2×10-7 수준의 최종 결과를 얻어 냈다.
현재 키블저울을 이용해 구현한 세계 최고 수준의 불확도는 약 1×10-8 수준으로 캐나다, 미국만이 구현하고 있지만 두 나라 간 결과의 불일치가 여전히 존재하고 있어 이를 해결키 위해 향후 10여 년간 5번 정도의 추가적인 국제비교가 진행될 예정이다.
표준연 김동민 책임연구원은 "캐나다, 미국 등 선진국보다 30년 이상 늦게 시작한 연구지만 최단기간 내 키블저울을 개발, 국제비교에 참가할 수 있게 돼 뿌듯하다"고 말했고 이광철 책임연구원은 "그동안 원기를 보관하고 있는 프랑스가 질량 기준을 이끌었지만, 앞으로는 키블저울을 개발하는 국가들과 역할을 분담하게 될 것"이라고 의미를 부여했다.
한편 키블저울을 이용해 측정된 1.2×10-7 불확도 달성 결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아(Metrologia - IF: 3.447) 6월 온라인판 게재됐다. 논문명은 Realization of the kilogram using the KRISS Kibble Balance이다.
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