[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국표준과학연구원(KRISS)은 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

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.

기호적인 측면에서 켈빈(Kelvin, 기호: K)은 열역학적 온도 혹은 절대온도의 단위로 국제단위계의 기본단위이며 테슬라(Tesla, 기호: T)는 자기선속밀도(magnetic flux density) 혹은 자기장(magnetic field)의 단위로 국제단위계의 유도단위이다.

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

현재 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.

이는 차세대 양자 전기표준체계는 교류 양자홀 표준저항 또는 교류 양자전압의 구현을 통해 임피던스 표준에 소급을 주는 방식을 사용하고 있고 직류를 사용하는 기존 방식보다 작은 불확도를 줄 수 있어 정밀측정 분야에 기술혁신을 가져올 수 있다고 기대하고 있다.

한편 국내에서는 기존 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 수급받고 있다.

이번 전자기표준센터 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 1600도 이상의 고온에서 고품질 탄화규소 그래핀을 성장하고 이에 적합한 소자 공정 기술을 개발했다.

이 과정에서 이 기술을 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.

특히 자체적으로 고품질 탄화규소 그래핀을 성장해 양자홀 단일소자까지 구현한 곳은 PTB(독일), NIST(미국)에 이어 세계에서 세 번째다.

또 10개의 양자홀 단일소자를 직렬로 연결한 ‘정밀 양자홀 고저항 어레이 소자’의 구현은 세계 최초다.

양자홀 효과(quantum Hall effect)는 전자의 양자역학적인 파동성에 의해 외부 자기장이 가해질 때, 자기장에 따라 선형적으로 변하는 고전적인 홀 저항이 자기장에 대해서 불연속적으로 변화하게 되는 현상이다.

이때 양자화된 홀 저항의 값은 소자의 물질이나 기하학적인 변수와 관계없이 기본상수인 플랑크상수(h)와 전자의 기본전하(e)의 관계식으로 표현된다.

이 양자홀 효과를 이용한 양자홀 저항(QHR, Quantum Hall Resistance)은 반복성과 재현성이 좋으며 전자의 전하와 플랑크 상수로 계산할 수 있는 값이기 때문에 저항의 표준으로 사용된다.

박재성 책임연구원은 “이번 성과는 양자 전류표준 분야로 응용이 가능하여 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상 등에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구는 KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원으로 수행됐고 응용물리분야의 국제학술지 어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letters, IF: 3.521) 3월호에 게재됐다.