[파이낸셜뉴스] 한국표준과학연구원(KRISS) 연구진이 MRI와 CT 촬영을 통한 체내 지방 측정의 정확성을 높일 표준물질을 세계 최초로 개발했다. 표준물질은 조성 성분과 함량이 정확해 다른 물질을 검출·확인·정량을 확인할 때 비교하기 위해 쓴다. 이번에 개발한 표준물질은 의료기관에 보급돼 의료영상기기 측정값의 유효성을 평가하고 진단 결과의 신뢰성을 높일 것으로 기대된다. 또한 비만 치료제 등 신약 개발을 위한 임상시험에서 다기관·다기종 데이터의 기준점으로 사용 가능하다. 14일 표준과학연구원에 따르면, 현재 국내 MRI 시장 점유율 1위 기업인 지멘스 헬시니어스가 MRI 장비의 지방량을 측정하는 신기술 연구에 활용하고 있다. 연구진이 개발한 의료영상기기용 표준물질은 물과 지방을 혼합해 만든 유화 표준물질이다. 성능을 평가하고 조정하는 팬텀(phantom)에 삽입해 의료영상기기에 적용하면 지방량 측정때 기준으로 활용할 수 있다. 즉, 표준물질 내 수분을 분석해 지방량을 산출하는 원리다. MRI, CT 등의 의료영상기기는 침습적 방식인 조직검사와 달리 비침습적인 방식으로 체내 지방량을 평가할 수 있어 지방간 등 만성질환 진단에 활용도가 높다. 하지만 의료영상기기의 지방량 측정값이 병원별, 제조사별, 모델별로 제각각임에도 이를 보정할 기준이 없어 의사의 경험과 감각에 의존해 진단을 내려야 한다는 점이다. 또한 신약 개발의 필수절차인 다기관 임상시험, 여러 장비의 측정값을 수집해야 하는 빅데이터 연구 등에 걸림돌로 작용한다. 연구진은 "이번에 개발한 표준물질은 측정값에 영향을 주는 계면활성제 등 첨가물을 넣지 않아 물질의 지방량을 정확히 측정할 수 있고 안정성과 균질성이 뛰어나다"고 설명했다. 특히 표준물질의 유효성 시험을 지원한 서울아산병원 영상의학과 김동욱 교수는 "향후 임상시험과 환자별 질환 진단에 이번 표준물질을 사용해 더 정확하고 일관성 있는 데이터를 획득할 것"이라고 말했다. 연구진은 후속 연구를 통해 농도가 세분화된 표준물질을 추가로 보급하고, 다기관 데이터 획득을 통해 의료영상기기 차세대 성능평가 체계 수립에도 기여할 예정이다. 표준과학연구원 의료융합측정그룹 조효민 책임연구원은 "융합연구 성과를 통해 의료 현장의 임상 수요에 대응할 수 있어 뜻깊다"라며 "앞으로도 의료계와 과학계의 가교 역할을 하는 기술 개발을 통해 국민의 건강한 삶에 기여하겠다"고 말했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 표준물질과 팬덤을 측정표준 분야 국제학술지 '메트롤로지아(Metrologia)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 도청 걱정없는 '양자직접통신'을 세계 최초로 성공시켰다. 20㎞ 구간의 국가 시험망을 통해 이 통신 기술을 구현하는 데 성공한 것이다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 국가보안기술연구소(NSR)와 공동연구를 통해 '양자직접통신' 기술을 개발하고 전송하는 데 성공했다고 7일 밝혔다. 더이상 쪼개지지 않는 빛의 최소 단위인 낱개의 광자에 정보를 실어 보내 도청 가능성이 차단된 양자통신. 이중에서 양자직접통신은 KRISS와 NSR이 세계 최초로 제안한 독창적 방식이다. 특히 양자직접통신은 암호와 메시지가 분리되지 않은 비밀 메시지를 양자채널로 직접 전달할 수 있다. KRISS와 NSR은 관련 기술을 국제학술지 '옵틱스 익스프레스'와 '메트롤로지아' 등에 게재했으며, 국내 및 국외 특허 6건이 등록했다. 연구진은 20㎞ 구간의 국가용 양자암호 시험통신망에서 양자직접통신을 시험했다. KRISS 연구진은 양자통신 구현을 위한 단일광자 광원과 측정 장비를, NSR 연구진은 시스템 구축 및 통신망 구현을 맡았다. 양자직접통신 발신부는 KRISS, 수신부는 NSR에 설치됐다. 실험 결과 수백 Hz(헤르츠)의 보안 정보가 전송됐으며, 통신 보안성의 척도인 양자비트에러율(QBER)은 기존 양자키분배 방식과 비슷한 수준인 3%~6%로 측정됐다. 연구진은 기술 구현과 함께 양자 시뮬레이터에 관한 공동연구도 진행했다. 이를 통해 원자를 이용한 양자정보처리 기술, 초전도 단일광자 검출기 제작 기술, 실제 통신망에서 인터넷과 연동된 양자통신 구현 기술 등을 확보했다. KRISS 박희수 양자기술연구소장은 "우리 기술로는 최초로 첨단 양자통신 기술을 구현해낸 것은 기관 간 원활한 융합연구가 이뤄졌기에 가능했던 일"이라고 말했다. 또 박 소장은 "이번 성과는 양자통신 요소기술뿐만 아니라 양자컴퓨팅 기술 개발을 위한 시금석이 될 것"이라고 전망했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 우리나라도 아주 미세한 질량까지 정확히 측정할 수 있는 기술을 보유했다. 국내 연구진이 절대질량을 측정하는 키블저울을 만들어 지속적인 연구개발을 통해 1천만분의 1 수준까지 정확하게 측정이 가능하게 됐다. 전 세계적으로 키블저울을 제작해 운영하는 국가는 6곳뿐이다. 한국표준과학연구원(KRISS)이 순수 국내기술로 개발한 키블저울을 이용해 질량의 단위인 ㎏ 측정값을 구현, 국제비교 참가에 성공했다고 10일 밝혔다. 이번 국제비교는 단위 재정의 이후 국제 질량 눈금을 정하기 위해 첫 번째로 시행됐다. 질량비교기가 있는 국제도량형국(BIPM)에 각 나라의 측정값을 보내 비교하는 방식이다. 국제비교 참가조건은 측정값을 의심하는 정도, 즉 불확도가 2×1천만분의 1 이하만이 가능하다. 표준과학연구원은 불확도 1.2×1천만분의 1을 달성했다. 이번 국제비교는 표준과학연구원을 포함해 캐나다 'NRC', 미국 'NIST', 중국 'NIM', BIPM 등 총 5개 표준기관이 키블저울 실험을 이용해 참가했다. 단위가 불안정하고, 변할 가능성이 있다는 것은 일상생활과 모든 산업 현장에서 이루어지는 측정값을 신뢰할 수 없음을 의미한다. 특히 제약, 반도체 등 정확한 질량측정을 요구하는 첨단기술 분야에서는 질량측정의 안정성과 신뢰성이 더욱 중요해진다. 질량의 단위인 ㎏은 1889년 백금과 이리듐을 합금한 금속 원기의 질량을 1㎏으로 정의해 사용해 왔다. 이후 100여년 동안 약 수십 마이크로그램(㎍, 100만분의 1 g)이 변한 것으로 추정돼 정확성에 문제가 제기됐다. 이를 해결하기 위해 전자기력으로 물체에 작용하는 중력을 가늠해 고정된 물리상수 값을 기준으로 측정 대상의 질량을 측정하는 키블저울이 고안됐다. 키블저울은 질량, 중력가속도, 전기, 시간, 길이 등 수많은 측정표준의 집합체로서 모든 측정의 불확도가 1억분의 1 수준으로 구현돼야 한다. 현재 키블저울을 이용해 구현한 세계 최고 수준의 불확도는 약 1억분의 1 수준으로 캐나다와 미국만이 구현하고 있다. KRISS 플랑크상수질량팀은 2012년 연구를 시작해 2016년 처음으로 키블저울을 설치했다. 당시 각 요소의 측정 불확도는 100만분의 1 수준이었다. 연구진은 2016년부터 지금까지 △직선 운동 향상을 위한 메커니즘 구현 △등속 운동을 위한 고속 제어 알고리즘 적용 △자석의 균일도 향상 △전기 잡음 원인 분석을 통한 잡음 개선 △전자기력과 중력 간의 정렬 방법 제안 등 모든 부분을 개선해 1.2×1000만분의 1 수준의 최종 결과를 얻게 됐다. 김동민 책임연구원은 "캐나다, 미국 등 선진국보다 30년 이상 늦게 시작한 연구지만 최단기간 내 키블저울을 개발, 국제비교에 참가할 수 있게 돼 뿌듯하다"라며, "향후 국제비교에서도 좋은 결과를 낼 수 있도록 최선을 다하겠다"라고 말했다. 이광철 책임연구원은 "그동안은 원기를 보관하고 있는 프랑스가 질량 기준을 이끌었지만, 앞으로는 키블저울을 개발하는 국가가 역할을 분담하게 될 것"이라며, "기술 종속국이 아닌 기술 주도국으로써 첨단 산업 발전의 기틀을 마련하겠다"라고 밝혔다. 이번 연구결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아에 온라인 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국표준과학연구원(KRISS)이 국내 중소기업 기술로 개발한 첨단 측정장비를 통해 반도체 측정 난제인 산화막 두께를 측정하는 데 성공했다. 중소기업 케이맥㈜의 측정장비로 해결한 이번 성과는 수입 의존도가 높은 반도체 장비 시장에서 국산 장비의 우수성을 알리고 보급을 활성화할 것으로 기대된다. KRISS 나노구조측정센터 김경중 책임연구원팀은 국산 장비인 중에너지이온산란분광기(MEIS)를 이용, 나노미터(nm)급 산화막의 두께를 측정할 수 있는 상호보정법을 완성했다고 23일 밝혔다. 국가표준기술력향상사업을 통해 ISO 국제표준으로 제정될 예정이다. 김경중 책임연구원팀은 측정기술인 상호보정법을 2008년 처음 제시, 10년 이상의 연구 끝에 완벽한 산화막 절대두께 측정기술을 완성했다. 상호보정법은 2가지 방법을 사용해 측정결과의 정확도를 높이는 기술이다. 연구팀은 이번 기술에 국내 중소기업의 MEIS 장비를 활용했다. 재현성이 좋은 MEIS로 산화막 두께를 측정한 다음, 길이 단위의 소급성을 갖는 TEM의 측정 결과로 보정한 것이다. 이번 성과는 이미 검증된 측정결과와의 비교를 통해 그 우수성이 입증됐다. 국제도량형위원회(CIPM) 물질량자문위원회(CCQM)가 주관하는 세계 측정표준기관들의 공동연구에서 결정된 하프늄산화막(HfO2)의 두께와 연구팀이 측정한 두께를 비교한 결과, 1% 수준의 차이에서 정확하게 일치하는 것을 확인한 것이다. KRISS 김경중 책임연구원은 "일본의 수출규제 등으로 인한 경제 위기 상황에서 반도체 소재 개발을 위해 국가측정표준기관이 나선 좋은 사례"라며 "중소기업과의 협력으로 탄생한 이번 기술은 반도체 산업 현장에 활용되어 차세대 반도체 소자의 생산 수율을 크게 향상시킬 것"이라고 강조했다. 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업(CAP)의 지원을 받은 이번 연구결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아에 온라인 게재됐다. 한편, 반도체 공정에서 집적회로를 만드는 데 사용하는 웨이퍼는 표면에 얇고 균일한 산화막을 형성하는 것이 매우 중요하다. 산화막은 웨이퍼 표면을 보호함과 동시에 전류의 흐름을 제어하는 역할을 하며, 산화막이 형성된 웨이퍼 위에 반도체 설계 회로가 그려진다. 따라서 산화막의 두께를 유지하고 정확히 측정하는 것은 반도체의 수율을 결정짓는 핵심 요인으로 꼽힌다. 실제 산화막 문제로 12인치 웨이퍼 한 장만 결함이 발생해도 약 수천만원대의 피해를 초래할 수 있다. 현재 현장에서는 1nm 내외의 산화막 두께를 4% 이하 불확도로 정확하게 측정해야만 반도체 품질 유지가 가능하다고 판단하고 있다. 지금까지 반도체 공정에서는 투과전자현미경(TEM), 분광타원계측기(SE), 엑스선반사측정기(XRR) 등으로 산화막 두께를 측정했다. 문제는 이렇게 측정한 산화막의 두께가 실제 두께와 큰 차이를 보였다는 것이다. 장비 사용이 어렵고 품질 확보에도 불확실성이 생겨 산화막 측정은 반도체 소자 제작에서 커다란 근심거리로 남아있었다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 분당 주입량이 한 방울도 안 되는 극소량의 약물까지 실시간 측정하는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용한 유량계로 투약량을 실시간으로 확인할 수 있어, 과다투여와 같은 의료사고를 방지할 것으로 기대된다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 열유체표준센터 이석환 선임연구원팀이 분당 0.03mL의 투약량까지 정확히 파악할 수 있는 유량계를 개발했다고 5일 밝혔다. 이 기술은 빨래집게와 유사한 '클램프온(clamp-on)' 타입으로 제작돼 기존 방식과 달리 비접촉적으로 간편하게 측정할 수 있다. 정확한 양의 약물 투여는 모든 의료행위의 기본이다. 하지만 실제 현장에서는 환자 수가 많다보니, 의료진이 초기 설정만 하고 투약량을 지속적으로 확인하기 어려운 것이 실정이다. 미국 식품의약국(FDA)의 보고에 따르면, 2005~2009년 동안 약물 주입기에 의한 사고는 5만6000여건에 달하며 그 중 500여건이 사망에 이르렀다. 의료진이나 기기의 잘못으로 정량이 아닌 약물을 환자에게 투여했기 때문이다. 지금까지는 약물 주입기의 배관을 자르고 유량계를 별도로 설치하는 접촉적 방법이 유일했는데, 오염에 노출되는데다 매우 비싸 현장에서 사용하는 것은 불가능에 가까웠다. KRISS 이석환 선임연구원팀은 적외선 흡수 기반의 열식질량유량계를 개발해 주입기를 전혀 훼손하지 않으면서도 시간당 2mL까지 투입량을 측정할 수 있게 됐다. 유량 측정의 핵심은 온도에 있다. 열원이 배관 내에 있는 경우 유량에 따라 열의 이동이 발생하는데, 열의 이동하는 정도를 파악하면 유량을 정량적으로 측정할 수 있다. 연구팀은 여기에 온도에 따라 특정 파장에서 물의 적외선 흡수도가 변한다는 개념을 접목했다. 그 결과, 1450 나노미터(nm) 파장의 레이저로 액체의 국소부위를 가열한 다음, 상류와 하류의 온도차를 측정하는 방식으로 비접촉적 유량 측정법을 실현했다. KRISS 이석환 선임연구원은 "이 기술은 다양한 약물을 동시 주입할 때도 사용이 가능한데다, 소형화가 가능하고 가격이 상대적으로 저렴해 상용화 가능성이 매우 높다"고 말했다. KRISS 주요사업과 유럽측정표준협력기구(EURAMET), 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 지난 8월 측정과학분야의 세계적 학술지 '메트롤로지아'에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

한국표준과학연구원(KRISS)이 메가옴(MΩ)급의 높은 영역에서 표준으로 사용할 수 있는 불변의 고(高)저항 실현에 결정적인 역할을 했다. 한국표준과학연구원은 18일 전자기표준센터 채동훈 책임연구원팀은 1메가옴(MΩ)의 양자 고저항을 실현하는 데 핵심적인 기여를 했다. 일본과 공동으로 수행한 이번 연구에서 KRISS는 양자저항의 연결로 만들어진 고저항값이 시간에 따라 불변한다는 양자역학적인 성질을 최초로 검증했다고 밝혔다. 1메가옴(MΩ은 1,000,000 옴(Ω). 옴(Ω, Ohm)은 전기저항의 단위다. 모든 전자기기가 제대로 작동하기 위해서는 회로의 기본 요소로 저항이 들어가야만 한다. 그리고 저항을 믿고 사용할 수 있도록 기준 역할을 하는 것이 바로 저항표준이다. 저항값이 실제와 다르면 전류, 전압에도 영향을 미쳐 제품 자체에 큰 문제를 일으키기 때문에 많은 산업체들은 저항표준을 적용해 전자기기의 품질을 보증하고 있다. 저항은 1980년대 독일의 폰 클리칭 교수가 발견한 양자홀(Hall) 효과를 기반으로 불변의 표준값, ‘양자홀저항’을 갖게 되었다. 하지만 과학기술의 발전은 또 다른 과제를 안겨주었다. 메가옴급 저항의 수요가 증가했음에도 양자홀저항은 10 킬로옴(kΩ) 수준이라 고저항 표준으로는 적절치 못했던 것이다. 이러한 이유로 지금까지는 금속으로 만든 실물을 고저항 표준으로 사용할 수밖에 없었다. 실물은 온도와 시간 등 주위 환경에 영향을 받을 수밖에 없다. 표준의 역할을 수행하기에 사실상 적합하지 않았던 것이다. 불변의 양자 고저항을 실현하고자 일본 표준기관인 NMIJ는 100여개의 양자홀저항을 직렬로 연결, 1 MΩ의 ‘양자홀 고저항 어레이(array)’를 제작했다. 그러나 이론을 바탕으로 만든 이 저항이 정확한 1 MΩ인지 검증하는 과정에서 측정기술의 한계에 부딪혔다. 이에 일본 연구진은 전기표준분야의 최상위 측정능력을 가진 KRISS에 공동연구를 제안했다. 높은 저항을 측정하기 위해서는 기존의 전류 크기를 1/100 정도로 감소시켜야하기 때문에 고도의 정밀측정기술이 요구된다. KRISS 채동훈 책임연구원팀은 저온전류비교기를 이용해 불확도 1억분의 1 수준의 초정밀 저항값 측정에 성공했다. 연구팀은 저온전류비교기를 이용하여 이미 확립된 양자홀저항표준과 새롭게 제작한 양자고저항을 직접 비교했다. 마치 저울의 양 팔에 물체를 올려놓고 비교하는 것과 같은 이치이다. 이제 메가옴급에서도 불변의 양자저항을 확보하게 됨으로써 과학계는 물론 산업 전반에 다양한 활용 가능성이 열리게 되었다. 양자 고저항이 존재해야 안정적으로 미소전류를 발생시키고 정밀 측정할 수 있기 때문이다. 미세먼지의 농도, 암 치료에 사용되는 방사선량 등 고도의 전류 측정이 필요한 많은 분야에 기술 혁신을 가져올 것으로 전망된다. 채동훈 책임연구원은 “양자 고저항은 산업 및 국민의 삶과 직접적으로 연관되는 수많은 분야에 활용될 수 있다”며 “전류 단위 암페어(A)의 재정의에서 중요한 역할을 할 단전자전류원의 정밀 평가에도 사용 가능하여 새로운 전류표준 확립에도 기여하는 바가 크다“고 말했다. 이번 연구결과는 국제도량형국(BIPM)에서 발행하는 국제적 측정과학분야 권위지인 메트롤로지아(Metrologia) 10월호에 게재될 예정이다. seokjang@fnnews.com 조석장 기자

10억분의 1m(나노미터)를 정확히 잴 수 있는 기술이 나왔다. 한국표준과학연구원 김경중 박사는 반도체 소자 공정에서 가장 중요한 난제 중 하나인 산화막의 나노미터 수준의 두께를 정밀하게 측정하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 이 결과는 메트롤로지아 최근호에 게재됐다. 김 박사는 나노미터 측정에 엑스선광전자분광법(XPS)을 이용했다. 이 방법은 엑스선에 의해 방출되는 전자의 에너지를 관찰해 표면의 수 나노미터 영역에 존재하는 원소의 종류, 상대 조성, 화학 상태 및 박막의 두께 등을 분석하는 방법으로 대표적인 표면분석법의 하나다. 김 박사는 또 XPS와 절대 두께 측정법인 고분해능 투과전자현미경(TEM)의 장점을 활용한 상호보정법으로 나노미터의 산화막 두께 측정 소급체계를 확립했으며 박막 두께 측정용 인증표준물질도 개발했다. 김 박사는 “그동안 나노미터 산화막 두께 측정 기준에 대해 미국, 일본, 영국 등 세계 각국의 의견대립이 팽팽히 맞섰지만 개발된 기술을 통해 국제적 합의를 도출할 수 있을 것”이라며 “차세대 반도체산업을 위한 필수 기반기술로 활용될 전망”이라고 말했다. /economist@fnnews.com 이재원기자 ■사진설명=초박막 두께를 측정 중인 김경중 박사

<사진은 정과부 화상> 10억분의 1m(나노미터)를 정확히 잴 수 있는 기술이 나왔다. 한국표준과학연구원 김경중 박사는 반도체 소자 공정에서 가장 중요한 난제 중 하나인 산화막의 나노미터 수준의 두께를 정밀하게 측정하는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 이 결과는 메트롤로지아 최근호에 게재됐다. 김 박사는 나노 미터 측정에 엑스선광전자분광법(XPS)를 이용했다. 이 방법은 엑스선에 의해 방출되는 전자의 에너지를 관찰해 표면의 수 나노미터 영역에 존재하는 원소의 종류, 상대 조성, 화학 상태 및 박막의 두께 등을 분석하는 방법으로 대표적인 표면분석법의 하나다. 김 박사는 또 XPS와 절대 두께측정법인 고분해능 투과전자현미경(TEM)의 장점을 활용한 상호보정법으로 나노미터의 산화막 두께 측정 소급체계를 확립했으며 박막 두께 측정용 인증표준물질도 개발했다. 김박사는 “그동안 나노미터 산화막 두께 측정 기준에 대해 미국, 일본, 영국 등 세계 각국의 의견대립이 팽팽히 맞섰지만 개발된 기술을 통해 국제적 합의를 도출할 수 있을 것”이라며 “차세대 반도체 산업을 위한 필수 기반기술로 활용될 전망”이라고 말했다. /economist@fnnews.com이재원기자