[과학기술면톱] '초정밀 원자시계 국내서 만든다'

1,000만년에 1초밖에 틀리지 않는 초정밀 원자시계가 국내연구진에 의해
만들어진다.

한국표준과학연구원 전자기연구부 이호성박사팀은 현재의 기술수준으로
개발가능한 가장 정확한 원자시계인 "세슘원자분수시계"개발연구에 착수했
다.

오는 2005년까지 시작품개발을 목표로 추진되고 있는 이 연구가 성공적으
로 마무리될 경우 차세대 통신혁명의 바탕이 되는 안정된 기준주파수원을
독자기술력으로 확보할수 있을 것으로 기대되고 있다.

원자시계는 하나의 진동체가 다른 진동체에 유도돼 동일한 진동수로 진동
(공진)하는 현상을 이용,일정한 주파수의 신호를 발생케해 그 신호로써 움
직이도록 만든 특수시계.

수정의 진동수를 절대불변인 원자의 고유진동수에 일치하도록 묶어둬 정
밀도를 유지시키는 방식이다.

여기에 쓰이는 원자는 환경이나 시간변화에 가장 안정된 진동특성을 갖
고 있는 세슘원자.

세슘원자는 고유진동수(9192631770Hz)를 갖고 있는데 이 진동주기의 지속
시간을 1초로 규정하고 있다.

즉 보통온도에서 흥분되거나 덜흥분된 두가지 상태로 존재하는 세슘원자
중 흥분된 것은 솎아내고 덜흥분된 것은 수정발진 마이크로파공진기에 통과
시키며 그 과정에서 수정의 주파수와 세슘원자의 고유주파수신호가 합치도
록 하는게 세슘원자시계의 기본원리이다.

세슘원자시계는 현재 세가지 방식이 있다.

첫째는 흥분된 세슘원자를 골라내기위해 영구자석을 이용하는 방식.

이 방식의 세슘원자시계는 아직 국제원자시(TAI)생성에 절대적으로 기여
하고 있지만 자석에서 발생되는 자기장의 영향으로 정확성이 다소 떨어진
다.

독일 연방물리기술청(PTB)에서 가장 최근에 만든 이 방식의 세슘원자시계
도 200만년에 1초가량 틀리는 것으로 알려지고 있다.

두번째는 광펌핑방식으로 영구자석대신 레이저를 이용하는 것이다.

미국립표준기술연구원(NIST)이 제작한 NIST7이 가장 우수하지만 600만년
에 1초정도의 오차율을 보이고 있다.

이 방식은 특히 장치를 크게 해야하는 단점을 안고있다.

세번째가 표준연이 개발에 착수한 원자분수방식.

세슘원자를 위로 쏘아올리고 관성에 따라 떨어지는 과정에서 마이크로파
와 두번 반응하는 방식으로 원자가위로 올라갔다 떨어지는 모양이 분수같
아 원자분수시계라 불리고 있다.

이 방식은 상온에서 시속 720km로 움직이는 세슘원자를 절대온도수준으로
까지 냉각,시속 0.3km 정도로 움직임을 둔하게 만드는 레이저쿨링기술 개발
로 가능해졌다.

프랑스의 시간.주파수연구소(LPTF)에서 개발,우주공간에서의 실험을 앞두
고 있는 LPTF-F01이 최초의 모델이며 1,000만년에 1초밖에 틀리지 않는 정
확도를 갖고 있는 것으로 알려지고 있다.

표준연은 98년까지 1단계 연구기간중 레이저를 이용한 세슘원자의 냉각.
포획과 원자발사실험및 냉각된 원자와 마이크로파와의 상호작용에 대한 연
구를 진행할 계획이다.

또 2005년까지 프랑스의 LPTF-F01모델에 버금가는성능의 분수방식
원자시계 시작품을 제작한다는 구상이다.

표준연은 이미 10만년에 1초정도의 오차율을 갖는 광펌핑방식의 세슘원자
시계 시작품제작및 시험가동을 마치고 최종성능향상 연구를 진행하는등 원
자시계제작관련 기술을 확보해놓고 있다.

이박사는 이와관련,"초고속 정보교환에서 신호의 정확성을 유지하기 위
한 동기화에는 오차없는 시간이 필수적"이라며 "세슘원자분수시계 개발과제
가 성공적으로 수행될 경우 차세대 정보통신의 품질을 끌어올릴수 있을 것"
이라고 말했다.

그는 또 "우주항공이나 천문학분야등에서의 정밀연구활동을 지원하는 것
은 물론 무게를 제외한 각종 표준의 정밀도 역시 높일수 있게 될 것"이라
고 강조했다.

< 김재일기자 >

(한국경제신문 1996년 8월 15일자).