다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도 변화 동시에 감지

표준연, "센서, 반도체, 이차전지 등 산업에 활용 가능"

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)이 자기장과 온도를 정밀 측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발했다고 31일 밝혔다.

저온이나 자기 차폐 환경이 아닌 일상 환경에서도 동작하며, 자기장과 온도의 미세한 분포를 영상화할 수 있다는 점이 특징이다. 센서나 반도체, 이차전지 분야에 활용될 수 있다. 

표준연 연구원들이 다이아몬드 양자센서를 실험하고 있다. (자료=한국표준과학연구원)

다이아몬드 센서는 순수한 다이아몬드 내부에 양자스핀을 갖는 '질소-빈자리 결함'을 인위적으로 만들면 양자센서 역할을 한다는 점을 이용한 센서다. 다이아몬드가 만들어지는 과정에서 탄소가 어떤 이유로 인해 제자리에 위치하지 못하면 빈 자리가 생기고, 불순물인 질소가 침투해 빈 자리와 만나면 질소-빈자리 결함이 생긴다. 여기에서 전자가 갖는 물리량인 스핀의 상태를 양자역학에 기반해 조절해 양자컴퓨터나 센서로 쓸 수 있다. 

이번에 개발된 다이아몬드 양자센서는 지구가 만들어 내는 자기장의 약 백만분의 일인 수십 피코테슬라(pT)의 정밀도로 자기장을 측정할 수 있다. 또 사람 체온의 약 백만분의 일인 수십 마이크로켈빈(μK)의 정밀도로 온도 변화를 감지할 수 있다. 연구진이 새로 개발한 다중센싱 기술을 추가로 사용하면, 하나의 센서로 자기장과 온도의 변화를 동시에 감지할 수 있다.

이번 성과는 반도체 소자나 리튬이온 전지와 같이 자기장과 온도의 변화가 복합적으로 일어나는 대상의 정밀 진단에 유용하다. 외부에서 보이지 않는 배터리 분리막의 손상이나 그로 인한 발열을 조기에 감지하면 대형 사고의 발생을 방지할 수 있다.

심정현 KRISS 양자자기이미징팀 책임연구원은 "이번 연구를 통해 달성된 다이아몬드 양자센서의 정밀도는 세계적 수준에 근접한다"라며 "실용화 목적에 적합한 소형 다이아몬드 양자센서 개발은 후속 연구를 통해 진행할 계획"이라고 밝혔다.