KRISS, 자체 기술로 국가저항표준체계 확립

그래핀 기반 양자홀 표준저항소자 개발 성공

한국표준과학연구원(KRISS·원장 박현민)은 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발에 성공했다고 8일 밝혔다.

현행 저항표준체계는 갈륨비소(GaAs) 반도체 기반 양자홀 소자를 표준저항으로 사용한다. 1.5켈빈(K) 이하 극저온과 10테슬라(T) 이상 고자기장의 동작 환경이 필요해 작동시키기가 복잡하고 어려운 단점이 있다.

박재성 KRISS 전자기표준센터 책임연구원이 고품질 탄화규소 그래핀을 성장시키고 있다.

KRISS가 개발한 표준저항소자는 ‘꿈의 소재’로 불리는 그래핀으로 만들어져 4.2K 이상의 상대적으로 높은 온도와 5T 이하 낮은 자기장에서도 표준저항 구현이 가능하다.

차세대 양자 전기 표준체계 가운데 하나인 교류 양자홀표준저항으로 응용할 수 있어 독일 PTB, 미국 NIST 등 세계 주요 측정표준기관들도 기존 표준저항소자를 그래핀으로 대체하는 연구를 진행하고 있다.

KRISS에 따르면 차세대 양자 전기표준체계는 교류 양자홀 표준저항 또는 교류 양자전압 구현을 통해 임피던스 표준에 소급을 주는 방식을 사용한다. 직류를 사용하는 기존 방식보다 작은 불확도를 줄 수 있어 정밀측정 분야에 기술혁신을 가져올 수 있다.

KRISS 전자기표준센터 연구팀은 1천600도 이상 고온에서 고품질 탄화규소 그래핀을 성장하고 이에 적합한 소자 공정 기술을 개발했다. 이를 이용해 그래핀 기반 양자홀 단일 표준저항(12.9 ㏀)과 10개의 소자가 직렬로 연결된 ‘129 ㏀의 그래핀 기반 양자홀 고저항 어레이 소자’ 제작에 성공했다.

자체적으로 고품질 탄화규소 그래핀을 성장해 양자홀 단일소자까지 구현한 곳은 PTB와 NIST에 이어 세계 세 번째다. 10개의 양자홀 단일소자를 직렬로 연결한 ‘정밀 양자홀 고저항 어레이 소자’ 구현은 세계 최초다.

그래핀 기반 단일 표준 저항 소자(왼쪽)와 고저항 어레이 소자

KRISS는 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 독자 개발해 국가저항표준시스템을 확립·유지하고 있다. 그러나 기존 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 수급받고 있어서 이번 성과를 통해 국가저항표준체계를 확립할 수 있게 됐다.

박재성 KRISS 전자기표준센터 책임연구원은 “KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자를 올해부터 해외측정표준기관에 보급해 국제 비교할 예정”이라며 “이번 성과는 양자 전류표준 분야로 응용가능하고 미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기 신뢰성 향상 등에 기여할 것”이라고 설명했다.

KRISS 주요사업과 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 응용물리분야 국제학술지 어플라이드 피직스 레터 3월호에 게재됐다.