韓, 1kg 정밀 측정할 수 있는 5개 선진국 대열 합류

KRISS, 질량 측정 장치 ‘키블저울’ 개선… 국제 비교 참여 기준 충족

우리나라가 질량의 기본 단위 kg(킬로그램)을 정의하는 기준인 키블저울 측정값을 정밀하게 얻어 측정 분야 선진국 대열에 합류했다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 국내 기술로 개발한 ‘키블저울’을 이용해 질량의 단위인 kg의 정밀한 측정값을 얻어 국제 비교에 참여하게 됐다고 10일 밝혔다. 정밀한 kg 측정을 통해 국제 비교에 참여할 수 있는 나라는 우리나라를 포함해 미국, 캐나다, 프랑스(국제도량형국·BIPM), 중국 등 5개국뿐이다.

1kg은 1889년 프랑스 파리의 BIPM에 보관돼 있는 백금 90％·이리듐 10％ 합금 덩어리인 ‘킬로그램 원기(原器)’의 질량으로 정의됐다. 하지만 120여년 동안 습도 등의 외부 요인으로 인해 킬로그램 원기의 질량이 수십 ㎍(마이크로그램·100만분의 1그램) 만큼 바뀌었다. 이에 시간이 지나도 변하지 않는 양을 기준으로 1kg을 정의할 수 있는 새로운 방법이 고안됐다.

일찍이 길이(1m)는 빛의 속도, 시간(1초)은 세슘 원자의 진동수라는 변치 않는 양을 기준으로 새로 정의됐지만, 질량 1kg은 2018년이 되서야 플랑크 상수라는 양으로 새로 정의됐다. 플랑크 상수는 빛의 에너지와 주파수에 관련된 변치 않는 양이다.

1kg의 새로운 측정은 키블저울이라는 장치를 통해 이뤄진다. 키블저울은 물질의 전기적 특성에 따른 전자기력과 질량에 따른 무게(중력)를 비교하는 장치로, 전자기력과 중력 사이의 균형을 맞춘 후 질량을 계산할 수 있다. 선진국들은 각자가 가진 키블저울을 이용해 1kg의 정밀한 값을 측정하고 오차를 보정하고자 각국의 측정값들을 서로 비교해보는 ‘국제 비교’를 실시하고 있다.

우리나라는 2016년 키블저울을 설치해 미국, 캐나다 등과 함께 키블저울을 보유한 6개국 중 하나가 됐다. 하지만 다른 나라들보다 측정 오차가 커서 국제 비교에 참여할 수 없었다. 국제 비교에 참여하려면 측정 오차가 1000만분의 2 이하가 돼야 한다.

이번에 KRISS 플랑크상수질량팀은 우리나라의 키블저울을 개선해 1000만분의 1 이하의 오차를 구현, 국제 비교에 참여하는 5개국에 들었다.

현재 전세계에서 가장 정밀한 키블저울은 미국과 캐나다의 것으로, 1억분의 1 수준의 오차만을 허용한다. 하지만 두 나라의 측정값 사이에도 차이가 있어 이를 해결하기 위해 향후 10여년간 5번 정도 추가 국제 비교가 진행될 예정이다.

KRISS 관계자는 "그동안 원기를 보관하고 있는 프랑스가 질량 기준을 이끌었지만, 앞으로는 키블저울을 개발하는 국가가 역할을 분담하게 될 것"이라며 "측정기술 종속국이 아닌 기술 주도국으로써 첨단 산업 발전의 기틀을 마련하겠다"라고 말했다.

이번 연구결과는 측정과학 분야의 국제 학술지 ‘메트롤로지아(Metrologia)’에 온라인 게재됐다.

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