다중 센싱 기술 적용, 일상 환경에서 동작하여 실용성 높을 것으로 기대

한국표준과학연구원(KRISS, 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 특징이다. 센서, 반도체, 2차전지 등 국가 첨단 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

순수한 다이아몬드 내부에 양자 스핀을 갖고 있는 ’질소-빈자리 결함’을 인위적으로 생성시키면 다이아몬드는 양자센서의 역할을 하고, ‘질소-빈자리 결함’의 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 온도 변화를 감지할 수 있다. 또 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 대표적이다. 전자나 이온이 이동하면 자기장과 함께 열이 발생한다. 외부에서 보이지 않는 배터리 분리막의 손상이나 그로 인한 발열을 조기에 감지할 경우, 대형 사고의 발생을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.