- KRISS 광시계, 전세계 시간의 기준 되는 세계협정시 생성 참여 성공 -

- 프랑스·일본·미국·이탈리아 이어 전 세계 5번째… 20년 연구성과 결실 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)에서 자체 개발한 이터븀 광시계 ‘KRISS-Yb1’이 전세계 시간의 기준이 되는 세계협정시 생성에 참여하는 데 성공했다. 우리나라는 프랑스·일본·미국·이탈리아에 이어 광시계로 세계협정시 생성에 기여한 다섯 번째 나라가 됐다.

 

▲ KRISS 원자기반양자표준팀

(왼쪽 위부터 시계방향으로 이원규·유대혁·박창용·허명선·김휘동 책임연구원)

세계협정시(Coordinated Universal Time, UTC)란 전세계가 공통의 시간을 유지할 수 있도록 동기화된 과학적 시간의 표준이다. 세계 모든 나라가 이를 이용해 1초 시각을 맞추고 있으며, 전자상거래, 통신, 네비게이션 등의 기준으로 사용된다.

 

최근까지 세계협정시는 현재 초의 정의에 사용되고 있는 마이크로파 세슘원자시계*가 주로 이용돼왔다. 그러나 2016년 이후 이보다 성능이 훨씬 뛰어난 광시계**가 개발되면서, 정밀 측정기술을 보유한 4개국의 광시계가 세계협정시 생성에 참여하고 있다.

 

? 현재의 시간 단위 1 초는 약 구십억 헤르츠 대역의 마이크로파 세슘 원자시계로 정의되고 있다. 수백조 헤르츠 대역의 광주파수에서 동작하는 원자시계인 광시계의 정확도가 이보다 100배 이상 좋은 성능을 보이므로, 2030년경에 이를 이용해 초가 재정의될 것으로 예상된다.

 

* 세슘원자시계: 현재 초의 기준으로, 진동수가 1초에 91억 9263만 1770번이다. 1967년 파리에서 열린 세계도량형총회에서 세슘원자를 국제표준으로 채택했다.

 

** 광시계: 향후 초의 기준으로, 진동수가 1초에 518조 2958억 3659만 863.6번이다. 세슘원자시계보다 100배 이상 성능을 향상할 수 있다.

 

세계협정시 생성에 참여하려면, 자국의 기술력으로 시계를 보유해야 하며 그 값이 정확하고 안정성이 있어야 한다. 세계협정시의 생성을 관장하고 있는 국제도량형국(BIPM)*에 6개월 이상의 측정값을 제출하면 엄밀한 심사를 거쳐 승인된다. 세계협정시는 한 달에 한 번, 국제도량형국에서 발표된다.

 

* 국제도량형국(BIPM): 미터협약을 근거로 설립된 국제표준연구실 겸 사무국으로 전 세계 측정단위와 표준의 국제적 동등성 확보를 목표로 한다.

 

KRISS 시간표준그룹 원자기반양자표준팀은 2014년 최초 개발한 이터븀 광시계 ‘KRISS-Yb1’의 성능을 기존보다 20배 이상 향상해 세계협정시에 참여하는 데 성공했다. ‘KRISS-Yb1’은 20억 년 동안에 1 초 정도의 오차를 가질 만큼 정확하다. 연구팀은 2020년 1월부터 2021년 3월까지 14개월 동안 현재 초의 정의 한계에 근접한 정확도로 절대주파수를 측정했다.

 

? ‘KRISS-Yb1’은 세계협정시 운영을 위한 주파수 표준기로 국제도량형국에 공식적으로 등록돼, 세계협정시 생성에 참여한다. 

   이로써 대한민국은 세계협정시를 생성하는 광시계를 보유한 다섯 번째 나라가 되어 시간 표준 선진국임을 확인했다.

 

▲ KRISS 김휘동 책임연구원이 이터븀 광시계를 이용해 실험을 진행하고 있다.

‘KRISS-Yb1’은 세계협정시 생성에 지속적으로 참여할 뿐만 아니라, 대한민국 시간의 표준인 UTC(KRIS)의 생성에도 이용될 예정이다. 실시간 UTC(KRIS) 운용과 정확도 향상을 통해 인터넷 및 무선통신망, 전력망 등의 성능 증대가 가능하며 한국형 항법시스템 KPS를 위한 시간 표준에도 활용될 전망이다.

 

KRISS 시간표준그룹 이원규 책임연구원은 “2025년까지 우주의 나이(약 138억년) 동안의 오차가 1 초보다 작은 세계 최고 수준의 광시계인 ‘KRISS-Yb2’를 개발할 계획”이라며, “2030년경에 있을 초의 재정의에도 주도적인 역할을 함으로써 우리나라의 위상을 높이고, 정밀과학 발전의 초석을 다지겠다”라고 밝혔다.

 

이번 연구결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아(Metrologia - IF: 3.447)에 온라인 게재됐다.