다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도의 변화 동시에 감지한다- 다중센싱 기술 적용, 일상 환경에서 동작하여 실용성 높을 것으로 기대

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2022. 5. 26.

다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도의 변화 동시에 감지한다- 다중센싱 기술 적용, 일상 환경에서 동작하여 실용성 높을 것으로 기대

작성자관리자 작성일자2022-03-31 10:24

 

다이아몬드 양자센서로 자기장과 온도의 변화 동시에 감지한다

- 다중센싱 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, 2차 전지 등 국가 첨단 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

 

순수한 다이아몬드 내부에 양자스핀*을 갖고 있는 ‘질소-빈자리 결함**’을 인위적으로 생성시키면, 다이아몬드는 양자센서의 역할을 하게 된다. ‘질소-빈자리 결함’의 양자스핀을 효과적으로 제어하면, 양자컴퓨팅에 필요한 연산을 하거나 미세한 외부 환경 변화를 감지할 수 있다.

* 양자스핀 : 스핀은 전자가 갖는 물리량이다. 스핀을 자석에 비유할 수 있다. 스핀이 위로 똑바로 서 있는 상태를 0, 거꾸로 뒤집혀진 상태를 1로 나타낸다. 양자 역학을 이용하면 스핀의 상태가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 설명할 수 있다.

** 질소-빈자리 결함 : 질소는 다이아몬드에서 가장 흔하게 발견되는 불순물이다. 다이아몬드를 구성하는 원소의 대부분인 탄소가 제자리에 위치하지 못하는 경우가 발생할 때, 이 빈자리와 질소가 서로 만나면 ‘질소-빈자리’ 결함이 생성된다.

 

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

 

KRISS 양자자기이미징팀 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. 

 

KRISS 기관고유사업, 정보통신기획평가원 양자센서핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 저명한 물리학 학술지인 Physical Review Applied에 지난 1월 게재됐다.

 

 

 

붙임1 연구성과 추가 설명

 

용어 설명 ○ 양자스핀: 스핀은 전자가 갖는 물리량이다. 스핀을 자석에 비유할 수 있다. 스핀이 위로 똑바로 서 있는 상태를 0, 거꾸로 뒤집혀진 상태를 1로 나타낸다. 그러나 자석과 스핀 사이에는 결정적인 차이점이 존재한다. 자석은 임의의 어떤 방향으로도 기울어질 수 있으므로, 자석을 위-아래 축(z축) 방향으로 투영한 크기(MZ)를 측정하면 연속적인 값을 갖는다. 그러나 스핀의 z축 방향 크기(SZ)을 측정하면 그 값이 불연속적이다. 20세기 초, 양자 물리학자들은 이 측정값이 플랑크 상수 간격으로 변화한다는 것을 발견하였다. 스핀과 공명하는 마이크로파를 이용하면 스핀의 상태를 조절하는 것이 가능하다. 양자 역학을 이용하면 스핀의 상태가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 설명할 수 있다.

 

○ 양자결맞음: 스핀의 상태를 조절하는 기술을 이용하면 스핀이 0과 1의 중간 상태를 갖도록 할 수 있다. 이를 0과 1의 중첩상태라고 한다. 비유하자면 z축으로 서 있는 자석을 돌려서 x-y 평면으로 눞힌 상황이다. 이 중첩상태가 유지되는 것을 결맞음(coherence)라고 부른다. 결맞음이 유지되지 않으면 중첩된 양자 상태는 사라지고 다시 원래의 0 또는 1 상태로 돌아간다. 스핀이 0 이나 1 상태에 있을 경우, 외부 자기장의 변화가 있더라도 스핀 상태는 변화하지 않는다. 따라서, 스핀이 중첩상태에 있어야만 자기장을 측정할 수 있으며, 결맞음이 유지되는 시간이 길수록 측정의 정밀도가 향상된다. 

 

○ 양자센서: 양자결맞음 현상에 기반하고, 고전 물리현상에 기반엔 센서보다 비약적으로 향상된 감도를 갖는 센서를 양자센서로 통칭한다. 대표적으로 초전도양자간섭소자(SQUID), 원자자력계(OPAM), ‘질소-빈자리’ 다이아몬드가 양자센서로 분류된다.

○ 질소-빈자리 결함: 다이아몬드를 구성하는 원소의 대부분은 탄소이다. 그러나 100 % 탄소 원자만으로 만들어진 다이아몬드는 존재할 수 없으며, 반드시 일정 개수의 불순물 또는 결함을 갖게 된다. 공기 중에 존재하는 질소는 다이아몬드가 만들어지는 과정에서 쉽게 안으로 침투해 카본을 밀어내고 그 자리를 차지한다. 따라서 질소 원자는 다이아몬드에서 가장 흔하게 발견되는 불순물이다. 카본의 경우, 어떠한 이유로 인해 다이아몬드에서 제자리에 위치하지 못하는 경우가 있다. 그러면 이 자리는 카본이 없는 ‘빈자리’가 된다. 이 질소와 빈자리가 서로 만나면 바로 ‘질소-빈자리’라는 결함이 생성되는 것이다. ‘질소-빈자리’ 결함의 양자스핀을 양자컴퓨터나 양자센서로 활용할 수 있다.

 

○ 분리계수: 하나의 센서를 이용해 두 개 이상의 물리량을 동시에 측정할 경우 측정된 두 값이 얼마만큼 서로 독립적인지를 나타내 주는 값이다. 여기서 독립성은 둘 중 하나의 물리량이 변화하더라도 그것이 다른 물리량의 측정값에 영향을 주지 못한다는 것을 의미한다. 동시 측정 상황에서 분리계수 값이 낮을 경우 두 측정값 사이에 혼선이 발생하게 되고, 결과적으로 사용자는 측정값들을 신뢰할 수 없게 된다. 

연구 관련 이미지 ▲ 다이아몬드 양자센서 및 구동 장치 도식

 

- 중심을 기준으로 왼쪽은 다이아몬드 ‘질소-빈자리’ 결함에서 방출된 광자(photon)를 최소한의 손실로 포집하기 위해 설계된 센서의 광학 장치, 오른쪽은 다중센싱을 위한 마이크로파 구동 장치의 구성을 나타내는 그림

 

▲ 자기장과 온도의 동시 측정 예시

 

- 다중센싱 기술이 적용된 다이아몬드 양자센서로 100초 동안 실시간으로 변화하는 자기장과 온도를 동시 측정한 결과. 다중센싱에서의 독립성을 확인하기 위해 18초에서 20초까지 약 2초 동안 외부 자기장을 센서에 가해 주었고, 이 자기장은 온도 측정에는 영향을 주지 않음을 확인함

연구 관련 이미지 ▲ 개발된 다이아몬드 양자센서의 자기장 및 온도 정밀도 측정 결과

 

- 다이아몬드 양자센서의 출력이 갖는 잡음(noise)의 정도를 보여주는 스펙트럼 측정 결과. 가장 낮은 레벨의 잡음 정도로부터 자기장과 온도에 대한 감도를 정량적으로 얻게 된다. 다이아몬드 양자센서로 1초 동안 측정한 결과는 자기장은 70 pT, 온도는 25 μK의 정밀도를 가짐

관련 논문 ○ Physical Review Applied(I.F. 4.985), vol. 17, pp. 014009-014018 (2022.1.7.) 

 

- 제목: “Multiplexed Sensing of Magnetic Field and Temperature in Real Time Using a Nitrogen-Vacancy Ensemble in Dimond”

 

- 주소: Phys. Rev. Applied 17, 014009 (2022) - Multiplexed Sensing of Magnetic Field and Temperature in Real Time Using a Nitrogen-Vacancy Ensemble in Diamond (aps.org)

에피소드 고감도 양자센서 개발을 위해서는 다이아몬드의 물성이 가장 중요하다. ‘질소-빈자리’ 결함의 농도를 일정 수준 이상으로 높이면서도 그 외 다른 불순물은 최대한 줄여야만 한다. 

이를 위해 다양한 조건에서 생성된 다이아몬드들을 구매하여 직접 검증하는 과정을 통해, 질소의 농도가 일정 수준 이하인 다이아몬드를 선별하였다. 선별된 다이아몬드로부터 최적의 성능을 이끌어내기 위해서, 선행 연구결과들 보다 개선된 광학 그리고 마이크로파 기술들을 도입하였다. 

이 과정에서 KBSI 초정밀 가공 장비를 이용한 광학 부품 가공에만 두 달 이상이 소요되기도 하였다. 그런데, 초기 실험에서 센서의 감도가 이론치의 100배 이상 낮게 나타나 감도 저하의 원인을 찾기 위한 노력이 계속되었다. 기술검토 끝에 레이저가 가진 잔여 노이즈를 제거하는 기법을 도입하여, 최종적으로 이론치에 근접한 감도를 얻게 되었다.

개발된 센서의 응용 가능성을 최대한으로 높이기 위한 방안을 찾던 중, 연구팀은 다중센싱 기법을 적용하면 자기장과 온도를 동시에 측정할 수 있다는 아이디어를 얻게 되었다. 이러한 동시 측정은 당시까지 보고된 바가 없었다. 이 기술을 이용하면 자기장과 온도가 복합적으로 변화하는 환경에서도 두 효과를 분리하여 각각에 대한 정확한 값을 제공할 수 있게 된다. 

따라서 개발된 다이아몬드 양자센서가 더 다양한 환경에서 사용되게 할 것으로 기대하였다. 실험 결과는 어렵지 않게 얻을 수 있었으나, 동시 측정에서 가장 중요한 분리계수를 이론적으로 설명하는데 어려움이 있었다. 

고심 끝에 다이아몬드 양자센서 응용 분야의 대가인 미국 메릴랜드 대학(QTC) Walsworth 교수에 연락을 하였고, 연구팀과의 논의 과정을 통해 이론적 근거와 수학적 모델을 도출하였다. QTC 연구원 M. Turner는 시뮬레이션으로 연구팀이 제시한 모델의 타당성을 입증하는 결과를 보내주었으며, 이를 포함함으로써 완성도 높은 연구 논문을 작성할 수 있었다.

 

 

 

 

 

 

 

붙임2 사진 자료

 

 

▲ KRISS 양자자기이미징팀 오상원 책임연구원(좌)과 심정현 책임연구원(우)이

다이아몬드 양자센서를 이용한 자기현미경 장치의 성능을 확인하는 실험을 진행하고 있다.

 

 

▲ 자기장과 온도를 정밀측정할 수 있는 다이아몬드 양자센서

 

 

▲ KRISS 연구진이 다이아몬드 양자센서를 활용한 자기이미징 실험을 진행하고 있다.

 

붙임3 심정현 책임연구원 프로필

 

1. 인적사항

○ 성 명 : 심정현 

○ 소 속 : 한국표준과학연구원 양자기술연구소 양자자기이미징팀

○ 직 위 : 책임연구원

 

 

 

2. 경력사항

○ 2015~현재 : 한국표준과학연구원 

○ 2017~현재 : 과학기술연합대학원대학교 응용측정과학과 전임교수

○ 2013~2015 : 한국표준과학연구원 박사후연구원

○ 2010~2013 : 독일 TU Dortmund 박사후연구원 (Prof. Dieter Suter)

○ 2008~2009 : 프랑스 CEA-Grenoble 박사후연구원 (Dr. Bernard Barbara)

 

3. 학술활동

○ 2018~2020 : 한국자기공명학회학술지 편집이사(Associated Editor)

 

4. 전문 분야 정보

○ 양자센싱, 초분극 핵자기공명이미징, 극저자장 핵자기공명

5. 발표논문 및 특허

○ SCI 논문 40편 이상 게재

○ 질소-빈자리 단일 스핀 온도센싱 논문(Nano Lett. 2013, 13, 2738) : 피인용횟수 600 이상