▲ 전류표준 정립의 기초가 되는 단전자 펌프소자를 개발한 KRISS 양자측정센터 연구팀 배명호 박사(우), 김남 박사(가운데), 안예환 연구학생(좌).

1948년에 처음 정해진 전류의 정의가 무용지물이 된지 오래인 상황에서, 날로 발전하는 과학기술을 통해 더욱 정교하게 전류의 표준을 정립할 실마리를 한국 연구기관에서 개발했다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 신용현) 양자측정센터 배명호, 김남 박사, 부산대학교(총장 김기섭) 정윤철 교수 등 국내 연구진이 암페어(A) 국제단위 재 정의에 기초가 되는 세계 최고 수준의 단전자 펌프 소자를 개발했다.

연구팀은 다른 단위를 활용해 전류 값을 산출하는 것이 아니라 전자의 흐름, 그 자체에 대한 연구를 통해 전류를 정의하는 것에 역점을 두었다.

이를 위해 개발한 단전자 펌프 소자는 전하를 띈 기본 입자인 전자를 외부 마이크로웨이브에 의해 주기적으로 발생시키는 소자이다. 펌프가 지하수를 끌어올려 물을 만들 듯이 단전자 펌프는 전자를 한 개씩 제어해 주기적으로 발생시키는 역할을 한다.

전류의 양은 전자의 전하량과 발생빈도의 곱으로 구할 수 있기 때문에 전자를 발생시키는 단전자 펌프가 있으면 전류의 단위인 암페어에 대한 새로운 표준 정립이 가능하다.

본 연구에선 전자를 퍼 나르는 역할을 하는 양자점 포텐셜의 모양과 깊이를 조절해, 0.1 nA의 전류 불확도를 2 ppm(parts per million, 백만분의 1) 수준까지 낮추는데 성공했다. 이는 양자점 포텐셜을 이용한 전류 발생 및 측정 분야에서 세계 최고 수준이다.

양자점 포텐셜 에너지의 깊이가 깊어질수록 단일 전자에 대한 보다 정밀한 제어가 가능해지므로 극미세 수준의 전류를 보다 정확하게 발생시킬 수 있다.

이렇게 해서 얻은 단전자 펌프 소자의 정확도는 이 분야에서 최고 수준의 기술력을 보유한 영국 표준기관과 동일한 수준이다.

KRISS 배명호 박사는 “인류가 현재 쓰고 있는 기본 단위체계는 과학기술이 발전할수록 새롭게 재 정의되고 있지만, 암페어(A)를 재 정의하기 위한 측정기술 발전이 제일 더딘 상태이다”라며 “단전자 펌프 소자가 새로운 전류 표준 소자로 국제사회에서 인정받을 수 있도록 정확도를 보다 높일 것”이라고 말했다.

이번 소자 개발은 향후 전기 단위 전체의 정밀도 향상으로 이어져 양자정보통신 등 차세대 전략기술 개발의 원천기술을 제공할 수 있다.

또한 암페어(A) 국제단위의 재 정의에 기여함으로써, KRISS의 국제적인 위상이 제고될 뿐만 아니라 관련 학계에서도 주도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

해당 연구결과는 측정분야 국제적 권위지인 메트롤로지아(Metrologia) 2월호 온라인판 2월 6일자에 실렸다.