40년의 결실, 세계 속에 빛나는 KRISS의 성취 

창립 40주년을 맞아 ‘국민 연구소’라는 비전을 세운 KRISS.  사실 지난 40년간 KRISS는 국민생활과 밀접하고 중요한 연구를 수행해왔고  세계적으로 인정받는 성과들을 만들어왔지만 일반 국민들에게는 잘 알려지지 않은 것이 사실이다.  KRISS 40년이준 또 하나의 선물은 지난 세월 국가측정 대표가관으로서 묵묵히 이뤄온, 세계 속에 빛나는 훌륭한 연구성과들이다. 

우리가 만든 우리 고유의 표준시 - 대한민국 표준시계 ‘KRISS-1’
세종이 천문을 담당하는 서운관의 보고에 따라 일식에 대비한 예식을 준비했다. 세종은 서운관이 우리나라의 천문을 중국의 천문으로 해석하는 데서 오차가 발생했다고 판단했다. 이에 따라 세종은 학자들을 시켜 우리 하늘에 부합하는 새로운 천문역법을 개발하도록 지시했고, ‘우리 하늘’에서 일어나는 일식을 예측할 수 있는 ‘우리의 역법’을 개발하는데 성공했다. 세종시대에만 우리 고유의 시간을 갖기 위해 노력한 것은 아니다. KRISS 시간센터는 10년간의 연구를 통해 100% 순수 국내 기술로 대한민국 표준시계 ‘KRISS-1(개발한 원자시계에 붙여진 고유 이름)’ 개발에 성공했다. 초의 정의(1초는 세슘원자 복사선의 고유진동수를 이용해 정의함)에 이용하는 복사선과 관련된다. 그런데 복사선의 고유진동수는 자기장, 전기장, 빛, 온도, 중력 등 주변의 물리량에 의해 영향을 받아 변화하기 때문에 변화한 값에 대한 지속적인 보정이 필요 하다.
반면 ‘KRISS-1’은 세슘원자 복사선의 고유진동수에 영향을 주는 10여 가지 요인에 대한 변화를 정확히 결정하고 이 값들을 보정할 수 있다. 주변영향을 배제한 고유진동수를 찾아 이것으로 초의 정의를 실현할 수 있고, 이러한 과정을 통해 기존의 상용 세슘원자 시계보다 10배 이상 정확한 시계를 구현할 수 있다. 우리나라는 ‘KRISS-1’ 개발로 보다 정확한 주파수표준을 확보할 수 있게 됐으며 이를 통해 정보통신, 방송, 첨단산업에서 사용하는 주파수기준기들의 평가를 보다 정확하게 할 수 있다. 무엇보다 ‘KRISS-1’ 개발은 초의 정의를 실현하는 1차 주파수표준기
구현을 통해 우리나라가 진정한 의미의 시간원기를 보유하게 됐다는 점에서 큰 의미를 지닌다. 

‘반도체 기술 강국’의 든든한 버팀목 - 박막 두께 측정용 CRM

1996년 어느 날 KRISS 나노광계측연구실 조현모 박사에게 삼성전자의 한 연구개발 담당자가 찾아왔다. 담당자가 요구한 것은 반도체 웨이퍼 가공 공정에 쓰이는 박막(薄膜) 두께 측정용 인증표준물질(CRM)을 만들어 달라는 것.
CRM은 반도체 생산라인 박막 두께 측정장비의 교정에 사용되는 일종의 ‘표준 샘플’이다. 반도체 칩은 웨이퍼에 얇은 막을 입힌 후 그 표면에 식각과 산화, 증착, 배선 등 다양한 공정을 거쳐 만드는 데 이때 박막이 균일하지 않으면 제대로 된 반도체 칩을 만들 수 없기 때문에 정확한 표준 샘플을 통해 검사 장비를 교정해야 하는 것이다. 삼성전자가 기존에 쓰던 NIST의 CRM은 시료두께가 10~200 나노미터(nm)인 6종의 단결정 실리콘(SiO₂) 박막두께 측정에 한정된 것인데 비해 조현모 박사팀이 개발한 CRM은 시료두께 3 nm~500 nm 15종의 단결정 실리콘(SiO₂) 박막두께 측정이 가능하다. 또한 NIST는 3인치 웨이퍼 기준인데 비해 조현모 박사팀의 CRM은 8인치 웨이퍼까지 적용이 가능한 것도 큰 특징이다. 삼성전자는 이를 토대로 당시로서는 획기적인 기가급 반도체 제조공정에 도전할 수 있었다. 사실 교정을 위한 한 개의 CRM은 수백만 원 정도면 족하다. 하지만 해외에 의뢰했을 경우의 기술유출 위험성이나 소요되는 시간을 감안하면 수억 원에 비할 수 없다. 조현모 박사팀이 개발한 CRM은 현재 삼성전자의 13개 반도체 생산라인에 적용되고 있으며, 처음에는 반신반의했던 하이닉스 (현 SK하이닉스)도 지금은 KRISS의 CRM을 통해 교정을 받고있다.
반도체 산업의 핵심인 정밀도 향상의 바탕은 ‘측정표준’이라해도 과언이 아니다. KRISS의 박막 두께 측정용 CRM은 우리나라가 ‘반도체 기술 강국’으로서 승승장구하는 데 큰 힘을 실어주고 있다. 

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세기의 발견, 공기 무게의 비밀을 풀다 - 공기 무게 재정의
쇠 1 kg과 솜 1 kg 중 어느 것이 더 무거울까? 당연히 두 개의 무게가 같은 것 아니냐고 반문할 수 있겠지만, 사실 공기의 무게에 따라 정답은 바뀔 수 있다. KRISS 김진석 박사팀이 대기 중의 공기가 기존에 알려졌던 무게보다 더 무겁다는 사실을 밝혀냈다. 질소, 산소, 이산화탄소와 함께 공기의 주성분 중 하나인 아르곤 농도를 정확히 분석하여 기존에 알려진 공기 밀도를 재정의 한 것. 아르곤 농도는 1969년도 미국 표준기관인 NIST에 의해 0.917 %로 정의 되었으나, 김진석박사팀이 정밀가스질량분석기를 통해 공기 중 아르곤 농도가 0.9332 %라는 것을 증명해 공기가 기존에 알려진 것에 비해 0.01 % 더 무겁다는 사실을 밝혀냈다. 더불어 재정의 된 공기 무게에 따라 표준분동 1 kg이 대기 중에서 받는 공기의 부력을 정확히 계산하여 진공상태에서 측정한 것과 같은 결과를 이끌어 낼 수 있음을 증명했다. ?이 연구결과는 각 나라에서 보유하고 있는 1 kg 질량 원기의 정확성을 유지하는 것을 비롯하여 각종 정밀질량측정 연구에 큰 도움을 줬다. 1969년 이후 35년 만에 새롭게 밝혀진 아르곤 농도는 공기 무게의 비밀을 푸는 열쇠로, 20세기에 정의된 공기 밀도의 오류를 바로 잡아 정밀한 질량측정의 새로운 문을 열어준 KRISS의 자랑스러운 성과이다. 

우주에서 지구인의 움직임을 읽는다 - 직경 1 m급 비구면 광학거울
<007 시리즈>, <미션 임파서블>과 같은 스파이나 전쟁을 소재로 하는 영화들에 단골로 등장하는 장면이 있다. 바로 인공위성을 이용하여 적의 동태를 감시하는 모습이다. 실제로 요즘 인공위성용 카메라는 지상에서 수백 km 떨어진 상공에서 차량의 번호판을 인식할 수 있을 정도의 고성능을 보유하고 있다. 우주에서 지상을 내려다본다거나 지상에서 별을 관측하기 위해서는 거울이 크고 해상도가 좋은 망원경이 필요하다. 현재 우리나라에서 가장 성능이 좋은 위성카메라용 광학거울을 제작할 수 있는 곳은 KRISS 우주광학센터이다. 2007년 KRISS 이윤우 박사팀은 직경 1 m급 초정밀 비구면 광학거울 개발에 성공했다. 이때까지 국내 위성카메라에 사용됐던 가장 직경이 큰 비구면 광학거울의 경우 600 km 상공에서 약 0.7 m 이하의 해상도를 가졌다. 이윤우 박사팀이 개발한 직경 1 m급 초정밀 비구면 광학거울을 적용한 위성카메라는 지상에 있는 사람을 식별할 수 있을 정도의 뛰어난 해상도(600 km 상공
에서 0.5 m 이상의 해상도)를 확보했다. 광학거울의 핵심은 표면가공기술이다. 해상도를 높이기 위해서는 비구면 광학거울 표면 전체의 형상오차가 30 nm 이하여야 한다. 이윤우 박사팀은 직경 1 m인 비구면 광학거울을 형상오차 20 nm 이하로 가공하고 측정함으로써 그 기술력을 입증했다. 또한 가공에 소요되는 시간도 기존 해외에서 광학거울을 들여오던 때보다 2배 정도 크게 단축시켜 경제적으로도 막대한 효과를 기대할 수 있다. 본 기술은 다양한 목적의 위성카메라뿐만 아니라 대형 천체 망원경, 항공기 및 위성 추적용 레이저 시준장치, 환경관측용 광학 레이더 등과 LCD나 PDP와 같은 대면적 평판 디스플레이 공정용 노광장비에 직접 사용이 가능하다. 우주, 천문, 국방 등 첨단산업 분야에서 직경 500 mm 이상 대형 광학거울의 수요가 점점 늘어날 것으로 전망되는 가운데, KRISS
초정밀 비구면 광학거울 제작기술을 통해 대한민국이 우주강국 으로 도약하길 응원한다.?