■ 자기장 온도 변화 초정밀 감지, 양자 센서 개발

 

■ 자기장 온도 변화 초정밀 감지, 양자 센서 개발

 

한국표준과학연구원이 자기장과 온도 변화를 동시에 초정밀 측정할 수 있는 다이아몬드 양자 센서를 개발했다고 2022년 03월 31일 밝혔다. 저온이나 자기 차폐 환경이 아닌 일상 환경에서도 동작하며, 자기장과 온도의 미세한 분포를 영상화할 수 있다는 점이 특징이다. 센서, 반도체, 2차 전지 등 국가 첨단 산업 발전에 크게 기여할 전망이다. 순수한 다이아몬드 내부에 양자 스핀을 갖는 질소 빈자리 결함을 인위적으로 생성하면, 다이아몬드는 양자 센서 역할을 하게 된다.

 

스핀은 전자가 갖는 물리량으로, 스핀이 위로 바로 서 있으면 0, 뒤집히면 1을 나타낸다. 질소 빈자리 결함은 다이아몬드를 구성하는 탄소가 제자리에 위치하지 않고, 이곳이 질소와 만날 때 생기는 결함이다. 개발 다이아몬드 양자 센서는 지구가 만들어 내는 자기장 약 100만분의 1인 수십 피코테슬라(pT) 정밀도로 자기장을 측정할 수 있다. 또한, 사람 체온 약 100만분의 1인 수십 마이크로켈빈 정밀도로 온도 변화를 감지할 수 있다. 이를 센서 하나로 가능하게 했다.

 

이번 성과는 자기장과 온도의 변화가 복합적으로 일어나는 대상의 정밀 진단이 필요할 경우, 매우 유용하게 사용될 수 있다. 반도체 소자 또는 리튬 이온 전지가 대표적 예이다. 외부에서 보이지 않는 배터리 분리막 손상이나 발열을 조기 감지해 대형 사고 발생을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

 

센서는 표준연 양자자기 이미징팀이 주축이 되어 개발했고, 나노포토닉스 분석은 이광걸 한양대 교수팀, 이론 분석은 미국 메릴랜드대 QTC(Quantum Technology Center) 연구팀과 협업하여 진행했다. 심정현 양자자기 이미징팀 책임연구원은 “이번 연구를 통해 달성된 다이아몬드 양자 센서 정밀도는 세계적 수준에 근접한 결과이다. 실용화 목적에 적합한 소형 다이아몬드 양자 센서 개발은 후속 연구를 통해 진행할 계획이다” 라고 밝혔다.