완전한 국가저항표준체계, KRISS 자체 기술로 확립
완전한 국가저항표준체계, KRISS 자체 기술로 확립
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.14 16:55
  • 조회수 555
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

요약

 

한국표준과학연구원(KRISS)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했습니다. KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자는 올해부터 해외측정표준기관에 보급해 국제비교할 예정이라고 합니다. 이번 연구 성과는 향후 양자전류표준 분야로 응용가능하여 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상 등에 크게 기여할 전망입니다. 

그래핀 기반 단일 표준 저항 소자(좌), 고저항 어레이 소자(우). 출처: KRISS
그래핀 기반 단일 표준 저항 소자(좌), 고저항 어레이 소자(우). 출처: KRISS

한국표준과학연구원(KRISS)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다. 한국의 표준연구기관인 KRISS의 첨단 정밀소자 제작기술 역량을 보여주는 쾌거로써 향후 이를 세계에 보급할 전망입니다. 해당 연구는 <Applied Physics Letters>에 게재됐습니다. 

 

표준저항소자 개발, 왜 필요할까

 

현재 저항표준체계는 GaAs(갈륨비소) 반도체 기반의 양자홀 소자가 표준저항으로 사용되고 있습니다. 그러나 극저온(1.5 K이하)과 고자기장(10 T 이상)의 동작 환경이 필요해 작동시키기가 복잡하고 매우 어려웠습니다. 

켈빈(Kelvin, 기호: K)

켈빈은 열역학적 온도 혹은 절대온도의 단위로 국제단위계의 기본단위이며 기호로 K를 사용합니다.
테슬라(Tesla, 기호: T)

테슬라는 자기선속밀도(magnetic flux density) 혹은 자기장(magnetic field)의 단위로 국제단위계의 유도단위이며 기호로 T를 사용합니다.

 

반면 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀으로 만들어진 표준저항소자의 경우 독특한 물리적 성질로 인해 상대적으로 높은 온도(4.2 K이상)와 낮은 자기장(5 T 이하)의 효율적인 실험환경에서 표준저항 구현이 가능합니다. 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 있습니다. 

  • 양자홀 효과(quantum Hall effect) 

 전자의 양자역학적인 파동성에 의해 외부 자기장이 가해질 때, 자기장에 따라 선형적으로 변하는 고전적인 홀 저항이 자기장에 대해서 불연속적으로 변화하게 되는 현상입니다. 이때 양자화된 홀 저항의 값은 소자의 물질이나 기하학적인 변수와 관계없이 기본상수인 플랑크상수(h)와 전자의 기본전하(e)의 관계식으로 표현됩니다. 양자홀 효과를 이용한 양자홀 저항(QHR, Quantum Hall Resistance)은 반복성과 재현성이 좋으며 전자의 전하와 플랑크 상수로 계산할 수 있는 값이기 때문에 저항의 표준으로 사용됩니다. 

차세대 양자 전기표준체계는 교류 양자홀 표준저항 또는 교류 양자전압의 구현을 통해 임피던스 표준에 소급을 주는 방식을 사용합니다. 직류를 사용하는 기존 방식보다 작은 불확도를 줄 수 있어 정밀측정 분야에 기술혁신을 가져올 수 있습니다.

 

세계 최초로 10개의 양자홀 단일 소자 직렬로 연결

 

RISS 전자기표준센터 연구팀은 1600 ℃ 이상의 고온에서 고품질 탄화규소 그래핀을 성장하고, 이에 적합한 소자 공정 기술을 개발했습니다. 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 성공했습니다. 

그래핀 기반 고저항 소자의 양자홀 효과와 특성 평가. 출처: KRISS
그래핀 기반 고저항 소자의 양자홀 효과와 특성 평가. 출처: KRISS

자체적으로 고품질 탄화규소 그래핀을 성장해 양자홀 단일소자까지 구현한 곳은 PTB(독일), NIST(미국)에 이어 세계에서 세 번째입니다. 10개의 양자홀 단일소자를 직렬로 연결한 '정밀 양자홀 고저항 어레이 소자'의 구현은 세계 최초입니다.

 

KRISS는 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 독자적으로 개발해 국가저항표준시스템을 확립·유지하고 있습니다. 그러나 기존 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 수급받고 있었기에 이번 성과를 통해 완전한 국가저항표준체계의 확립이라는 쾌거를 달성하게 됐습니다. 참고로  국가저항표준체계란 국가저항표준시스템(정밀측정시스템)과 표준저항소자를 모두 갖춘 상태를 말합니다. 

KRISS 전자기표준센터 박재성 책임연구원이 고품질 탄화규소 그래핀을 성장시키고 있다. 출처: KRISS
KRISS 전자기표준센터 박재성 책임연구원이 고품질 탄화규소 그래핀을 성장시키고 있다. 출처: KRISS

박재성 책임연구원은 "KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자를 올해부터 해외측정표준기관에 보급해 국제비교할 예정"이라며 "이번 성과는 양자 전류표준 분야로 응용이 가능하여, 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상 등에 크게 기여할 것"이라고 밝혔습니다.

KRISS 전자기표준센터 연구팀이 정밀측정시스템을 가동하고 있다. 출처: KRISS
KRISS 전자기표준센터 연구팀이 정밀측정시스템을 가동하고 있다. KRISS 전자기표준센터 연구팀(박재성,김완섭,채동훈 책임연구원) 출처: KRISS

 


##참고자료##

 

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2020 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트