전자 하나씩 퍼담는 기술로 전류 정확하게 측정한다

표준연 전기자기표준그룹 연구팀

한국표준과학연구원 전기자기표준그룹 연구팀이 마이크로웨이브를 이용해 반도체 속 전자를 1개씩 끌어올리는 ‘단전자 펌프 소자’를 개발했다. 사진은 표준연 전기자기표준그룹 연구팀. 한국표준과학연구원 제공

국내 연구팀이 전자를 하나씩 끌어올리는 장치를 개발했다. 일정 시간 동안 흐르는 전자의 개수를 셀 수 있어 전류의 세기를 새롭게 정의하는 데 활용될 것으로 기대를 모은다.

한국표준과학연구원 전기자기표준그룹 연구팀은 마이크로웨이브를 이용해 반도체 속 전자를 1개씩 끌어올리는 ‘단전자 펌프 소자’를 개발했다고 29일 밝혔다.

전류는 일정한 시간에 통과하는 전하의 양을 뜻한다. 일정 시간과 면적을 통과하는 전자의 개수를 알면 정확하게 알 수 있다. 지금까지는 수많은 전자를 하나하나 셀 수 없어 간접적인 방식으로 전류를 측정해왔다. 예를 들어 전류가 전압에 비례하고 저항에 반비례한다는 ‘옴의 법칙’을 이용해 전압과 저항을 먼저 구한 후 계산하는 방식이다. 전압과 저항은 각각 조셉슨전압 표준기, 양자홀저항 표준기를 이용해 비교적 정확하게 구할 수 있다.

연구팀은 전자를 주기적으로 1개씩 꺼낼 수 있는 ‘단전자 펌프 소자’를 개발했다. 단전자 펌프 소자는 반도체에 쌓여 있는 전자를 펌프가 지하수를 끌어 올리듯 전자를 퍼담는 장치로 전자가 나오는 입구인 ‘양자점’을 마이크로웨이브로 제어해 전자가 1개씩만 나오도록 한다. 현재 10~100피코암페어(pA·1조분의 1A) 세기의 전류를 만들 수 있고 정확도는 전자 1억개를 담을 때 40개 정도가 덜 담기거나 더 담기는 정도다.

연구팀은 단전자 펌프 소자와 전압 측정에 쓰이는 조셉슨전압 표준기, 저항 측정에 쓰이는 양자홀저항 표준기를 연결한 ‘양자측정표준 삼각체계’도 만들었다. 양자측정표준 삼각체계는 단전자 펌프 소자로 측정한 전류와 조셉슨전압 표준기, 양자홀저항 표준기로 측정한 전압과 저항을 옴의 법칙을 이용해 나온 값과 비교해 검증하는 방법이다.

연구에 참여한 배명호 표준연 전기자기표준그룹 책임연구원은 “이번 성과는 표준연이 이미 확보한 저항, 전압 표준이 있었기에 가능했던 일”이라며 “세계 수준의 측정 능력으로 미세전류 표준을 선도한다는 자부심을 느낀다”고 말했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘메트롤로지아’ 인터넷판 2020년 10월 28일자에 게재됐다. 

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]