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  • 기사등록 2021-11-10 09:25:52
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▲ KRISS 원자기반양자표준팀(왼쪽 위부터 시계방향으로 이원규·유대혁·박창용·허명선·김휘동 책임연구원)



[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS)이 자체 개발한 이터븀 광시계 ‘KRISS-Yb1’이 전 세계 시간의 기준이 되는 세계협정시 생성에 참여하는 데 성공했다. 우리나라는 프랑스·일본·미국·이탈리아에 이어 광시계로 세계협정시 생성에 기여한 다섯 번째 나라가 됐다.


세계협정시(Coordinated Universal Time, UTC)란 전 세계가 공통의 시간을 유지할 수 있도록 동기화된 과학적 시간의 표준이다. 세계 모든 나라가 이를 이용해 1초 시각을 맞추고 있으며, 전자상거래, 통신, 내비게이션 등의 기준으로 사용된다.



▲ KRISS 광시계팀이 개발한 KRISS-Yb1과 관련 레이저 장치들의 모습. 현재 초의 정의의 한계에 근접하는 정확도로 KRISS-Yb1의 절대주파수를 오랜 시간 동안 측정해 국제도량형국에서 공인한 주파수 표준기가 됐다.



최근까지 세계협정시는 현재 초의 정의에 사용되고 있는 마이크로파 세슘원자시계가 주로 이용돼왔다. 그러나 2016년 이후 이보다 성능이 훨씬 뛰어난 광시계가 개발되면서, 정밀 측정기술을 보유한 4개국의 광시계가 세계협정시 생성에 참여하고 있다.


현재의 시간 단위 1초는 약 90억 헤르츠 대역의 마이크로파 세슘원자시계로 정의되고 있다. 수백조 헤르츠 대역의 광주파수에서 동작하는 원자시계인 광시계의 정확도가 이보다 100배 이상 좋은 성능을 보이므로, 2030년경에 이를 이용해 초가 재정의될 것으로 예상된다.



▲ KRISS 연구팀은 레이저 냉각기술로 이터븀 원자를 격자상태의 구조로 고정한 후, 고성능 레이저 기술을 통해 같은 값의 레이저 주파수를 쏘이는 일련의 작업을 성공적으로 수행했다. 이터븀 원자를 격자상태의 구조에 고정시키는 이유는 기체 상태의 원자는 자유롭게 움직여 정확한 주파수 측정이 어렵기 때문이다.



세계협정시 생성에 참여하려면 자국의 기술력으로 시계를 보유해야 하며 그 값이 정확하고 안정성이 있어야 한다. 세계협정시의 생성을 관장하고 있는 국제도량형국(BIPM)에 6개월 이상의 측정값을 제출하면 엄밀한 심사를 거쳐 승인된다. 세계협정시는 한 달에 한 번 국제도량형국에서 발표된다.


국제도량형국(BIPM)은 미터협약을 근거로 설립된 국제표준연구실 겸 사무국으로 전 세계 측정단위와 표준의 국제적 동등성 확보를 목표로 한다.



▲ 현재까지 세계적으로 측정한 이터븀 광시계의 절대주파수 측정 결과를 요약한 그래프(2009-2021). 초록색 가로선이 국제도량형국의 이터븀 광시계 추천 주파수 값이고, 연두색 영역이 추천 주파수의 불확도 범위이다. 분홍색 동그라미로 강조된 결과가 KRISS의 역대 절대주파수 측정 결과이다. KRISS의 결과는 세계적인 측정 결과 및 국제도량형국의 추천값과 잘 일치하고 있고, 이번 결과는 세계적으로 가장 좋은 수준의 정확도를 보여주고 있다.



KRISS 시간표준그룹 원자기반양자표준팀은 2014년 최초 개발한 이터븀 광시계 ‘KRISS-Yb1’의 성능을 기존보다 20배 이상 향상해 세계협정시에 참여하는 데 성공했다. ‘KRISS-Yb1’은 20억 년 동안에 1초 정도의 오차를 가질 만큼 정확하다. 연구팀은 2020년 1월부터 2021년 3월까지 14개월 동안 현재 초의 정의 한계에 근접한 정확도로 절대주파수를 측정했다.


‘KRISS-Yb1’은 세계협정시 운영을 위한 주파수 표준기로 국제도량형국에 공식적으로 등록돼 세계협정시 생성에 참여한다. 이로써 대한민국은 세계협정시를 생성하는 광시계를 보유한 다섯 번째 나라가 되어 시간 표준 선진국임을 확인했다.



▲ KRISS 김휘동 책임연구원이 이터븀 광시계를 이용해 실험을 진행하고 있다.



‘KRISS-Yb1’은 세계협정시 생성에 지속적으로 참여할 뿐만 아니라, 대한민국 시간의 표준인 UTC(KRIS)의 생성에도 이용될 예정이다. 실시간 UTC(KRIS) 운용과 정확도 향상을 통해 인터넷 및 무선통신망, 전력망 등의 성능 증대가 가능하며 한국형 항법시스템 KPS를 위한 시간 표준에도 활용될 전망이다.


KRISS 시간표준그룹 이원규 책임연구원은 “2025년까지 우주의 나이(약 138억 년) 동안의 오차가 1초보다 작은 세계 최고 수준의 광시계인 ‘KRISS-Yb2’를 개발할 계획”이라며 “2030년경에 있을 초의 재정의에도 주도적인 역할을 함으로써 우리나라의 위상을 높이고 정밀과학 발전의 초석을 다지겠다”고 밝혔다.


이번 연구결과는 측정과학분야 국제학술지 메트롤로지아(Metrologia)에 온라인 게재됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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