그래핀 기반 양자홀 표준저항소자 세계 3번째 개발

KRISS 전자기표준센터 박재성 책임연구원이 고품질 탄화규소 그래핀을 만들고 있다. 사진제공=KRISS

국가저항표준체계가 국내 자체 기술로 완성됐다. 세계 세 번째로 개발한 그래핀 기반 양자홀 표준저항소자 기술로, 세계에도 널리 보급할 계획이다.

한국표준과학연구원(KRISS)이 차세대 양자 전기 표준체계에 기여할 새로운 표준저항소자 개발해, 국내 기술로 국가저항표준체계를 완성했다고 8일 밝혔다.

현 저항표준체계는 갈륨비소 반도체 양자홀 소자를 표준저항으로 사용한다. 하지만 1.5K(켈빈온도)라는 극저온과 10T(테슬라)라는 고자기장이 필요해 작동하기 어렵고 복잡하다.

이를 개선하고자 과학자들은 상대적으로 높은 온도인 4.2K와 5T 자기장에서 작동하는 그래핀으로 만든 표준저항소자를 개발하고 있다. 그래핀 소자는 차세대 양자 전기 표준체계 중 하나인 교류(AC) 양자홀 표준저항으로도 응용할 수 있어, 직류를 이용하는 기존 방식보다 정확도를 높여 정밀측정 분야에 기술 혁신을 가져올 것으로 기대되고 있다.

KRISS 전자기표준센터 연구진은 섭씨 1600도가 넘는 고온에서 고품질 탄화규소 그래핀을 만들며, 소자 공정 기술을 개발했다. 이를 이용해 그래핀 기반 양자홀 단일 표준 저항과 10개의 소자를 직렬로 연결한 ‘그래핀 기반 양자홀 고저항 어레이 소자’도 만들었다.

독일 PTB와 미국 NIST에 이어 세계에서 세 번째로 이룬 성과다. 10개의 양자홀 단일소자를 직렬로 연결한 ‘정밀 양자홀 고저항 어레이 소자’ 구현은 세계 최초다.

KRISS는 2008년 양자홀 저항 정밀측정시스템을 독자적으로 개발해 국가저항표준시스템을 확립했다. 하지만 표준저항소자를 해외측정표준기관에서 받아서 사용했다. 이번 성과로 국내 독자 기술을 이용한 국가저항표준체계를 완성했다.

박재성 책임연구원은 “KRISS에서 자체 제작한 표준저항소자를 올해부터 해외측정표준기관에 보급해 비교할 예정”이라며 ”미세전류 측정과 발생기술이 사용되는 기기의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것“이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letters)’ 3월호에 게재됐다.