전압 측정표준의 양극에서 꿈을 키우다
     

전력수급 불안의 심각성 때문에 요즘 전기에 대한 관심이 많다. 하지만 우리가 느낄 수 있는 전기의 양, 즉 전압은 그리 큰 세기가 아니다. 가정용으로 쓰이는 전기의 전압은 겨우 110 V, 220 V지만 이 또한 사람들에게 노출되면 위험을 초래한다. 하지만 이의 수천배 또는 수천분의 1을 다루는 전압은 상상이 잘 되지 않을 것이다.그 파급력 또한 상당해 순간의 오차에 따라 나타나는 결과는 큰 피해를 가져올 수 있다. 아주 높은 전압과 아주 작은 전압을 연구하는 전기센터 정재갑 박사와 김문석 박사로부터 전압 측정표준에 대한 이야기를 들어봤다.  

산업 현장교정,“국내 중전기기 수출에 기여했다는 생각에 뿌듯” - 전기센터 정재갑 박사
사회자 먼저 박사님에 대한 소개를 부탁드립니다. 고전압 대전류에 대한 연구를 시작한 것은 언제 부터인가요?

정재갑 박사 대학원에서 고체물리를 전공하면서 우연히 석사과정 중에 산학협력 연구를 하게 되었어요. 일찌감치 회사 연구소에서 어떤 일을 하는지 알게 된 계기가 되었죠. 학위과정 중에는 NMR을 이용한 물성분석을 연구했는데 미시세계를 규명하면서 구조해석, 분석을 하는 것이 주된 일이었습니다. 미국에서 박사후연구원을 하다가 2001년 11월에 연구원에 입원했는데, 학위과정과 박사후연구원을 하면서 해왔던 연구와는 너무 다른 고전압 연구를 하게 되었습니다. 고전압에 사람들이 거부감을 갖고 있기도 하고 위험하기도 하지만, 중요한 연구분야이기 때문에 사명감을 갖고 신중하게 연구하고 있습니다.

사회자 ‘고전압 대전류’ 라는 용어가 참 재미있습니다. 과연 ‘고전압대전류’ 연구란 무엇인가요?

정재갑 박사 전기는 가정까지 보내기 위해 많은 과정이 필요합니다. 발전소에서 생산한 전력을 765,000 V 혹은 345,000 V 로 승압하여 송전이 이뤄지고 전압을 변전소에서 변전해서 결국 220 V 의 전압을 가정까지 배전되는 과정을 거치게 되지요. 이러한 과정을 거치게 되는 전기는 산업체나 가정에서 얼마나 사용했는가에 따라 전기요금이 부과됩니다. 전력량을 잘 측정해야 전기요금도 제대로 계산이 됩니다. 우리나라가 국민 전체가 1년에 사용하는 30조원에 달하는 전기요금을 즉 전력량을 잘못 측정한다면 몇천억원의 손익이 발생되겠지요. 그래서 발전소나 산업체서 요구되는 대용량의 고전압과 대전류의 정확도를 높이는 연구를 수행하고 있습니다.

사회자 고전압 대전류를 연구하며 얻은 대표적인 성과에 대해 소개해 주시죠.

정재갑 박사 지난 2004년 까지만 해도 국내에서 고전압 대전류 표준이 낮은 측정 범위에 머물고 있었고, 표준체계 구축이 안되어 산업체 교정지원이 원활치 못했습니다. 그렇다보니 외국에서 표준인증을 받아야 했죠. 그래서 산업체의 수요에 부응하고자 본 연구는 시작되었습니다. KRISS의 노력으로 고전압 대전류에 대한 표준이 만들어지고 나서 교정지원을 해 줌으로써 산업체가 수출이 쉬워지고 고마워 할 때 보람 있었습니다. 외국 선진 표준기관의 경우 이 분야의 역사가 100년이 넘는데 우리는 고작 10년 밖에 되지 않았지만 이젠 동등한 수준에 올랐고 아시아에서는 호주에 이어 두 번째 정도까지 수준이 됩니다.

사회자 고전압 대전류 연구를 통한 에피소드는?

정재갑 박사 과거에는 출장을 가서 산업체 지원을 해주었는데 지금은거의 담당자에게 넘겨주었지요. 출장은 중전기기 회사들이 주로 수출이 지리적으로 용이한 바닷가에 위치해 있기 때문에 울산, 창원, 인천, 부산 등으로 많이 다녔지요. 출장 가서 밤새워 지원해준 기억도 있고, 현장에서 문제가 발생하여 몇일 고민하다가 해결한 경험도 많구요. 현장은 KRISS 실험실 보다 훨씬 열악한 환경이다 보니 예기치 못한 문제들이 자주 발생하는데 어떻게 하던 전부 해결해 주었지요. 이를 위해 특히 고전압에서는 경험과 실무가 중요합니다. 또한 안전을 위해 올바른 접지가 가장 중요합니다.

사회자 고전압 대전류 측정 분야의 전망에 대해 말씀해 주세요.

정재갑 박사 지난해부터 연구소 일반사업인 스마트그리드 측정표준도 수행하고 있습니다. 앞으로는 연구주제를 스마트그리드 현황을 잘 파악하여 적합한 과제를 수행하고 싶습니다. 또한 산업체의 전압과 전류의 측정범위가 높아 현재 KRISS가 지원해주지 못하고 있는부분도 있지요. 그래서 측정범위 확장하는 연구도 해야 하구요. 지금보다 도전적이고 창의적인 새로운 연구분야도 해보고 싶습니다. 예를 들면 광센서 감시 및 평가 기술과 전력요금 실시간 모니터링 및 전송 기술 등입니다.

미소전압 측정, “모든 전압측정 정확성의 바탕”- 전기센터 김문석 박사
사회자 KRISS 에서는 언제부터 연구를 시작하셨나요?

김문석 박사 미국에서 박사후 연구원으로 고온초전도체의 물성연구를 수행하다가 2003 년에 KRISS에 입사했습니다. 입사 당시 제게 맡겨진 임무 중에 하나는 조셉슨 접합(Josephson junction)을 이용하여 교류전압을 합성하는 것이었습니다. 제가 현재 사용하고 있는 조셉슨 소자는 약 700,000 개의 초전도 접합이 직렬로 연결된 어레이(array) 인데요, 하나의 접합은 약 40 μV의 전압을 만들어 냅니다. 여기서 중요한 것은 모든 접합이 발생시키는 전압의 크기가 완벽하게 같다는 것입니다. 이는 전압이 양자화(quantized) 된다는 것을 의미합니다. 결국 조셉슨 소자의 출력 전압은 각 접합이 발생하는 양자전압의 합으로 결정됩니다. 현재 합성 가능한 최대 출력 전압은 10 V 수준입니다.

사회자 ‘미소전압’ 분야는 무엇을 연구하나요?

김문석 박사 양자화된 미소전압이 모아져서 10 V 수준의 전압을 출력한다는 말씀드렸는데요, 비유하자면 작은 배터리 수십만 개를 직렬로 연결한 것과 마찬가지인거죠. 그런데 놀랍게도 그 수십만개의 전압이 모두 같고, 모아진 전압의 불확도는 10-10에 달합니다. 저는 이런 특성을 가진 조셉슨소자를 이용해서 직류뿐만 아니라 교류전압을 합성하는 연구를 수행하고 있습니다. 교류전압은 시간에 따라서 값이 변하는 전압신호를 의미합니다. 현재 제가 사용하는 프로그래머블 조셉슨 전압표준(programmable Josephson voltage standard)소자는 각 접합으로 공급되는 전류 바이어스를 조정해서 최종 출력전압의 크기를 조절할 수 있습니다. 따라서 이 바이어스를 빠르게 전환 한다면 원리적으로 양자화된 미소전압을 바탕으로 교류전압을 합성할 수 있게 됩니다.

사회자 현재 주요 테마는 무엇인가요?

김문석 박사 교류전압은 이루 말할 수 없이 광범위 하게 사용되고 있습니다. 발전소에서 생산되는 전압도 교류이며 대부분의 송전, 변전 및 배전도 교류를 바탕으로 이루지고 있으며, 가정이나 산업체로 공급되는 전기에너지의 1차 형태는 교류입니다. 또한 통신 및 정보교환에 사용되는 신호, 심지어는 잡음신호 까지도 교류입니다. 직류는 교류의 특별한 한 형태일 뿐이지요. 그러나 엄밀한 의미에서 교류의 직접적인 표준은 없습니다. 현재의 교류표준은 직류를 바탕으로 전력소자인 열-전압 변환기를 통하여 구현됩니다.즉, 교류가 발생시키는 열과 직류가 발생시키는 열을 온도계로 비교 측정하는 것이 그 핵심입니다. 이런 비교는 열-전압 변환기의 정확한 평가가 전제되어야 합니다. 그런데 현재 이 평가가 실험이 아닌 계산에 의해서 수행된다는 것이 문제입니다. 따라서 열-전압 변환기의 실험적 평가에서 조셉슨 교류표준이 결정적인 역할을 할것이라고 기대합니다.

사회자 연구 성과가 궁금합니다. 연구기간이 다소 짧았는데, 성과가 있었나요?

김문석 박사 KRISS에서 교류 조셉슨 표준과 관련해서 본격적인 연구가 시작된 것은 2007년 경입니다. 이 때 처음으로 재현성이 뛰어난 프로그래머블 조셉슨 소자가 도입이 되었습니다. 수년에 걸친 연구를 통하여 조셉슨 교류 합성기를 자체 제작하였고, 2010년 경에는 양자 전압계를 개발하여 세계 최고수준의 정확도로 교류전압을 측정할 수 있는 능력을 보유하게 됐습니다.

사회자 조셉슨 표준에 대한 국제연구 동향은 어떠한가요?

김문석 박사 전기표준의 패러다임이 바뀌고 있습니다. 인공물에 의존하던 시대에서 물리 고유현상을 기반으로 표준을 구현하는연구가 현재 전 세계적으로 수행되고 있습니다. 양자현상을 이용하여 구현되는 조셉슨 교류 표준기의 개발은 현재 선진국을 중심으로 유수의 기관들이 경쟁적으로 인적 물적 자원을 집중적으로 투입하고 있는 연구 주제입니다. 미국은 이미 조셉슨 교류 합성기를 교류 및 전력표준으로 활용하고 있으며, 유럽은 KRISS도 참여하고 있는 여러 EMRP (European metrology research projects)를 통하여 조셉슨 교류전압 표준에 관련된 매우 다양한 연구를 수행하고 있습니다.

사회자 현재 연구분야외 관심이 있는 분야는?

김문석 박사 연구관련 문헌관리 및 교정데이터 베이스 구축에 관심이 있습니다. 결국 우리가 하고 있는 일은 축적된 연구결과를 바탕으로 보다 더 정확한 교정을 하고, 그 교정결과가 세계 어디에서나 인정받을 수 있는 품질을 유지하기 위해서라고 생각합니다. 그 전제가 바로 문헌이나, 데이터의 체계적인 정리라고 생각합니다.

사회자 앞으로의 계획에 대해 이야기해 주세요.

김문석 박사 그동안 박세일, 김규태 박사님등 선배님들께서 조셉슨 전압표준과 관련한 많은 연구를 해오셨고, 세계적인 연구결과도 창출하셨습니다. 저 역시 그 업적들에 손색없는 결과를 내려고 노력을 하고 있습니다. 앞으로 현재 개발된 조셉슨 전압표준기를 바탕으로 양자기반 교류 및 전력 그리고 임피던스 표준을 확립하는데 매진할 계획입니다. 우리 센터는 QuEST (Quantum Electrical Standards)라는 기치를 내걸고 양자현상에 기반한 새롭고, 보다 정확한 표준확립을 위한 도약을 꿈꾸고 있습니다.