▲ KRISS 양자자기이미징팀 오상원 책임연구원(좌)과 심정현 책임연구원(우)이 실험을 진행하고 있다.

한국표준과학연구원(원장 박현민)이 자기장과 온도 변화를 동시에 감지할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발해 반도체 소자 및 리튬이온 등 첨단산업 발전에 기여할 것으로 기대 된다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 일상 환경에서도 동작하며, 자기장과 온도의 미세한 분포를 영상화할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발했다고 31일 밝혔다.

다이아몬드 내부에 양자스핀(전자가 갖는 물리량)을 갖고 있는 질소-빈자리 결함을 인위적으로 생성시키면, 다이아몬드는 양자센서의 역할을 하게 된다. 질소-빈자리 결함의 양자스핀을 제어하면, 양자컴퓨팅에 필요한 연산을 하거나 미세한 외부 환경 변화를 감지할 수 있다.

다이아몬드 양자센서 개발을 위해서는 다이아몬드의 물성이 가장 중요하다. 연구진은 질소의 농도가 일정 수준 이하인 다이아몬드를 선별하고 최적의 성능을 이끌어내기 위해 광학, 마이크로파 기술을 도입했다.

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

자기장과 온도의 변화가 복합적으로 일어나는 반도체 소자나 리튬이온 전지의 정밀 진단할 때, 매우 유용하게 사용할 수 있다. 전자나 이온이 이동하면 자기장과 함께 열이 발생하게 된다. 배터리 분리막의 손상이나 그로 인한 발열을 조기에 감지하면 대형 사고를 막을 수 있다.

연구의 핵심 기술인 센서는 KRISS 양자자기이미징팀을 주축으로 개발됐으며, 나노포토닉스 분석은 한양대학교 이광걸 교수 연구팀, 이론 분석은 미국 메릴랜드 대학 QTC(Quantum Technology Center) 연구팀과의 협업으로 진행됐다.

KRISS 양자자기이미징팀 심정현 책임연구원은 “이번 연구를 통해 달성된 다이아몬드 양자센서의 정밀도는 세계적 수준에 근접한 결과다. 향후 실용화 목적에 적합한 소형 다이아몬드 양자센서 개발을 진행할 계획”이라고 밝혔다.

한편, KRISS 기관고유사업, 정보통신기획평가원 양자센서핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 물리학 학술지인 Physical Review Applied에 지난 1월 게재됐다.