[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다. 이는 KRISS의 첨단 정밀소자 제작기술 역량을 보여주는 쾌거로서, 향후 전 세계로 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.
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 연구팀은 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.
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 세계 최초다.
KRISS는 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 독자적으로 개발해 국가저항표준시스템을 확립·유지하고 있다. 그러나 기존 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 수급받고 있었기에 이번 성과를 통해 완전한 국가저항표준체계의 확립이라는 쾌거를 달성하게 됐다. 국가저항표준체계는 국가저항표준시스템(정밀측정시스템)과 표준저항소자를 모두 갖춘 상태를 의미한다.
박재성 책임연구원은 “KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자를 올해부터 해외 측정표준기관에 보급해 국제 비교할 예정”이라며 ”이번 성과는 양자 전류표준 분야로 응용이 가능하여 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상 등에 크게 기여할 것“이라고 밝혔다.
이번 그래핀 기반 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.
한편, KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구 결과는 응용물리분야 국제학술지 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letters)’ 3월호에 게재됐다.
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