[생활속 과학이야기] 측우기와 양자센서

강노원 한국표준과학연구원 물리표준본부장

하늘에 구멍이 난 것처럼 폭우가 쏟아졌다. 전국 각지에서 안타까운 사고들이 다수 발생했다. 폭우로 인한 피해가 가능한 신속하게 회복되기를 기원하며 이 지면을 빌어 진심으로 위로의 말씀을 전한다.

이런 재난에 대비하기 위해서 인류는 오래전부터 강우량을 측정하기 위한 측정 도구들을 개발해서 사용해 왔다. 우리가 아는 대표적인 강우량 측정 도구는 조선 세종대왕 치세에 개발된 측우기다. 이 시대부터 측우기를 전국적으로 사용하기 시작했고, 각 고을의 강우량을 측정해 조정에 보고하도록 했다고 한다. 측우기의 개발과 보급은 유럽보다 거의 200년 정도 앞섰다고 하니 우리 조상들의 지혜와 기술에 다시 한번 감탄하지 않을 수 없다.

측우기와 같이 어떤 물리적 성질을 측정하거나 감지한 후, 이를 표시하고 기록하거나 이에 대해 반응하는 기기를 센서라고 한다. 우리가 측정할 수 있는 물리적 성질을 궁극적으로 탐구해 가면 국제기본단위계(SI)로 귀결된다.

기본단위에는 6개의 물리적 단위인 시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 광도와 화학에 관련된 단위인 물질량이 있다. 흥미로운 것은 물리적 기본단위들로 표현할 수 있는 대부분의 자극들을 우리 몸이 느낄 수 있다는 것이다. 길이, 질량, 온도 등 인체에 친숙한 물리량뿐만 아니라, 전류가 흐르게 되면 찌릿찌릿한 느낌이 오므로 전류까지도 느낄 수 있다. 이런 자극들을 통해 우리 몸이 현재 위험한지 아닌지를 예측할 수 있으므로 신체의 감각기관들은 우리의 생존을 위해 필수적이다. 따라서 인간의 신체는 훌륭한 센서들의 집합체다.

한국표준과학연구원의 임무 중 하나는 국가측정표준의 유지 및 향상이며 이를 위해서는 극한의 정확성을 가지는 표준기들을 개발해야 한다. 표준기들은 기본단위를 구현하는 도구이면서 기능적으로는 자극을 측정하는 센서인 경우가 대부분이다. 측정표준에서 요구하는 수준의 정확도를 가지기 위해서는 양자기술을 적용해야 하는 경우가 많기 때문에 다양한 단위 표준기에 양자현상을 이용한 계측기, 즉 양자센서들이 수십 년 전부터 활발히 개발되고 있다.

양자기술은 기존 기술의 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 가능성 때문에 최근 과학기술계뿐만이 아니라 전 세계 각국의 정부에서도 주목받고 있다. 우리나라에서도 관련 부서를 신설하는 등의 노력을 통해 이 새롭게 부상하는 기술에 대한 연구개발을 지원하고 있다. 양자기술은 크게 양자통신, 양자센서, 양자컴퓨터 분야로 구분된다.

세 가지 기술 중 가장 산업화가 일찍 진행될 것으로 예상되는 기술은 양자센서 기술이다. 최근 발간된 양자백서에서는 양자센서를 특정 물리량의 측정을 위해 필요한 양자시스템 또는 양자현상을 활용한 센서를 의미한다고 기술하고 있다. 대표적인 측정 물리량은 중력, 가속도, 회전, 시간, 전기장, 자기장 등이며 관련 센서들이 전 세계에서 활발히 개발되고 있다. 이러한 센서들은 재난 예측, 자원 탐사, 진보된 위성항법, 새로운 통신체계 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.

한국표준과학연구원은 오랜 시간에 걸친 단위 표준기 개발 경험을 통해 양자기술을 선제적으로 연구해 왔고, 이를 기반으로 다양한 센서 개발을 수행하고 있다. 이는 기관의 임무인 국가측정표준의 유지 및 향상을 위한 표준기 개발과도 직결돼 있다. 센서 기술 개발 중에 양자컴퓨터 및 양자통신기술의 기반이 되는 기초기술 또한 획득할 수 있다. 미래 국가 경쟁력 강화를 위해 필수적인 양자센서 기술에 대한 국가적 집중 투자가 필요한 시점이다.