▲ KRISS 채동훈 책임(左)이 그래핀 양자저항표준 소자를 측정 장치에 장착하고 있다.

국내 연구진이 세계적으로 권위 있는 계측·측정 전문 학술지의 공식 초청으로 그래핀 활용 전기저항 국가표준 측정기술 관련 논문을 작성해 글로벌 기술 경쟁력을 입증했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 양자전기자기측정그룹 채동훈 책임연구원이 영국물리학회 출판사(IOP Publishing)가 기획한 ‘노벨상 컬렉션’의 첫 번째 초청 논문 집필을 주도했다고 11일 밝혔다.

노벨상 컬렉션은 영국물리학회 출판사의 계측·측정 분야 국제학술지 MST가 노벨상을 가능하게 했거나 노벨상으로 가능해진 계측·측정 연구를 조명하기 위해 기획한 초청 논문 모음이다. 각 분야 전문가가 해당 연구가 노벨상으로 이어진 배경과 계측·측정 관점에서 본 현재와 미래를 정리한다. 

MST는 노벨상과 맞닿은 측정 기술을 조명하는 특별 컬렉션을 기획하며, 첫 번째인 ‘그래핀 편’ 집필을 KRISS 채동훈 책임에게 의뢰했다. 채 책임은 제1저자이자 교신저자로 논문 기획을 주도했으며, 독일 표준연구소(PTB), 스웨덴 표준연구소(RISE) 연구진을 공동저자로 참여시켜 국제 공동 집필을 이끌었다.

그래핀은 2004년 흑연에서 처음 분리된 탄소 원자 한 층 두께의 물질로, 2010년 노벨물리학상을 수상하며 ‘꿈의 소재’로 주목받았다. 전자소자, 센서 등 다양한 응용 가능성으로 큰 기대를 모았지만, 20여 년이 지난 지금까지 대다수 분야에서는 실험실 수준에 머물러 상용화로 이어지지 못하고 있다. 반면 전기저항 국가표준 분야에서는 세계 주요 측정표준기관의 15년 넘는 연구개발을 거쳐 그래핀 소자가 실제 정밀 측정에 활용되고 있다. 연구진은 이번 논문에서 이를 “그래핀 고유의 특성을 온전히 활용해 상용화에 성공한 사실상 최초이자 유일한 기술”이라며, 기술성숙도(TRL) 최고 단계(9단계)에 도달한 대표적 실용화 사례로 평가했다.

그래핀 기반 저항표준 소자는 절대온도 약 4 K(캘빈)와 5 T(테슬라) 수준의 자기장에서도 안정적으로 작동해 무냉매 소형 냉동 장치로 1년 내내 가동할 수 있어 산업체 등에서 활용되는 표준저항기를 상시 정밀 교정할 수 있다. 국제비교에서도 두 소자의 측정 결과가 상대불확도 10억분의 1 이하 수준으로 일치해 최고 수준의 정확도를 입증했다.

연구진은 논문에서 그래핀을 이용한 저항표준을 실현하기까지의 발전과 국제 검증 결과를 정리하고, 임피던스·전류 측정으로 넓어지는 연구 현황 및 미래 전망을 짚었다. 나아가 전압·저항·전류 표준을 한 장치에 담는 차세대 양자전기표준의 가능성도 함께 제시했다.

아울러 그래핀의 실용화를 뒷받침할 국제 측정지침 신규 제정에도 KRISS가 핵심적인 역할을 담당했다. 국제도량형위원회 산하 전기자기자문위원회(CCEM)는 올해 6월 그래핀 소자의 특성을 반영한 양자저항 측정 가이드라인을 발간했는데 KRISS는 미국 표준연구소(NIST), 독일 표준연구소(PTB) 등 주요 11개국 표준기관 연구진과 함께 집필에 참여했다. 

KRISS 채동훈 책임은 “지난 15년간 그래핀 양자저항표준 연구에 매진하며 쌓아온 글로벌 연구 협력 네트워크가 초청 논문과 국제 가이드라인 발간이라는 결실로 이어졌다”며 “측정 분야의 후발주자였던 한국이 측정 선진국들과 어깨를 나란히 하며 집필에 참여했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.

한편 이번 초청 논문은 지난 4월 MST(IF 3.7)에, 가이드라인은 6월 Metrologia(IF 3.2)에 게재됐다.