한국표준과학연구원(원장 박현민)이 자기장과 온도를 정밀 측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서를 개발했다.

저온이나 자기 차폐 환경이 아닌 일상 환경에서도 동작하며, 자기장과 온도의 미세한 분포를 영상화할 수 있다는 점이 특징이며, 센서, 반도체, 2차 전지 등 국가 첨단 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

순수한 다이아몬드 내부에 양자스핀을 갖고 있는 질소-빈자리 결함 을 인위적으로 생성시키면, 다이아몬드는 양자센서의 역할을 하게 된다.

질소-빈자리 결함의 양자스핀을 효과적으로 제어하면, 양자컴퓨팅에 필요한 연산을 하거나 미세한 외부 환경 변화를 감지할 수 있다.
 
고감도의 다이아몬드 양자센서 개발을 위해서는 다이아몬드의 물성이 가장 중요하다.

연구진은 이를 위해 다양한 조건에서 생성된 다이아몬드를 구매하여 직접 검증했고, 질소의 농도가 일정 수준 이하인 다이아몬드를 선별했다.

선별된 다이아몬드로부터 최적의 성능을 이끌어내기 위해 선행 연구 결과보다 개선된 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 새롭게 개발한 다중센싱 기술을 추가로 사용하면, 하나의 센서로부터 자기장과 온도의 변화를 동시에 감지할 수 있다.

이번 성과는 자기장과 온도의 변화가 복합적으로 일어나는 대상의 정밀 진단이 필요할 경우, 매우 유용하게 사용될 수 있다.

반도체 소자 또는 리튬이온 전지가 대표적 예다. 전자나 이온이 이동하면 자기장과 함께 열이 발생하게 된다.

외부에서 보이지 않는 배터리 분리막의 손상이나 그로 인한 발열을 조기에 감지할 경우, 대형 사고의 발생을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

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

심정현 책임연구원은 “이번 연구를 통해 달성된 다이아몬드 양자센서의 정밀도는 세계적 수준에 근접한 결과”라며, “실용화 목적에 적합한 소형 다이아몬드 양자센서 개발은 후속 연구를 통해 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 이번 연구결과는 저명한 물리학 학술지인 Physical Review Applied에 지난 1월 게재됐다.