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[KRISS 보물] 1화 대한민국 과학기술의 초석! 킬로그램 원기 39번

질량은 물질의 고유한 양으로, 장소와 상태에 관계없이 변하지 않는 가치를 지닙니다. 인류는 100년 넘게 이 질량의 기준을 정의하기 위해 백금과 이리듐 합금으로 제작된 '국제 킬로그램 원기'라는 인공물을 사용해 왔습니다. 1789년 프랑스 혁명에서 시작된 미터법은 초기에는 물의 부피를 기준으로 했으나, 정밀도를 높이기 위해 금속 원기로 발전했습니다. 1889년 제1차 국제도량형총회에서 채택된 이 원기는 전 세계 질량 측정의 유일한 표준이 되었습니다. 당시 40여 개의 복제품이 제작되어 각국에 배포되었는데, 그중 킬로그램 원기 39번은 대한민국 질량 표준 역사의 서막을 알리는 특별한 주인공이 되었습니다. 킬로그램 원기 39번의 도입 과정에는 한국 근현대사의 아픔이 고스란히 담겨 있습니다. 공식 기록상 킬로그램 원기 39번은 1894년 일본에 배포되었다가 해방 후인 1947년에야 한국으로 이양되었습니다. 하지만 우리 측 기록과 구전은 다른 이야기를 전합니다. 고종 황제가 대한제국 시절 일본을 통해 구입하여 보관하던 중, 일제 강점기 물자 동원령으로 일본에 빼앗겼던 것을 되찾아왔다는 주장입니다. 비록 현재로서는 일본의 공식 기록에 대응할 만한 추가 사료 발굴이 절실한 상황이지만, 킬로그램 원기 39번이 척박했던 대한민국 과학 기술의 초석을 다지기 위해 도입된 국가적 보물임은 분명한 사실입니다. 고국으로 돌아온 킬로그램 원기 39번의 여정은 결코 순탄치 않았습니다. 6·25 전쟁과 같은 격동기를 거치며 원기 표면에는 수많은 상처가 남았고, 이는 정밀한 질량 측정에 치명적인 영향을 주었습니다. 원기는 극도로 미세한 무게 변화조차 허용하지 않는 극한의 정밀함을 요구하지만, 당시에는 이를 체계적으로 관리할 전문가나 시설이 턱없이 부족했습니다. 이로 인해 국제 교정 시 질량 변화가 크다는 평가를 받기도 했으나, 1993년 새로운 원기인 킬로그램 원기 72번이 도입될 때까지 킬로그램 원기 39번은 국가 질량 표준을 확립하고 산업 발전을 이끄는 중추적인 역할을 묵묵히 수행하며 그 소임을 다했습니다. 과학 기술의 발전은 영원할 것 같았던 인공물 원기의 시대를 마감하게 했습니다. 2018년, 킬로그램의 정의는 인공물에서 물리 상수인 '플랑크 상수'로 재정의되었습니다. 아무리 정교하게 보관해도 원기의 질량이 공기와의 반응이나 마모로 인해 미세하게 변한다는 점이 확인되었기 때문입니다. 이제는 특정 장소에 보관된 원기에 의존하지 않고, 전 세계 어디서나 보편적인 자연 법칙을 통해 질량을 실현할 수 있게 되었습니다. 이러한 변화는 측정의 안정성을 획기적으로 높였으며, 우리나라도 독자적인 질량 표준 실현 장치인 키블 저울 개발에 박차를 가하며 기술 선진국들과 어깨를 나란히 하고 있습니다. 이제 킬로그램 원기 39번은 국가 표준의 자리에서 물러났지만, 그 역사적 가치는 여전히 한국표준과학연구원(KRISS)의 상징으로 남아 있습니다. 과거 우리는 선진국의 기준을 받아들이는 수준에 머물렀으나, 이제는 자체 기술로 질량 표준을 세울 수 있는 측정 강국으로 성장했습니다. 킬로그램 원기 39번은 나라를 빼앗겼던 시절 표준조차 지키기 어려웠던 역사를 잊지 말라는 교훈을 주며, 한 나라의 표준이 곧 기술 수준과 자존심임을 상기시켜 줍니다. 과거의 고난을 딛고 세계적 수준에 도달한 대한민국의 과학 기술은, 이 작은 금속 덩어리에 새겨진 흉터와 열정적인 연구자들의 땀방울에서 시작된 것입니다.

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[과학자 아빠와 함께 V-LOG] 단위를 알면 세상이 보인다(1편)

우리가 살아가는 세상은 수많은 단위의 유기적인 결합으로 이루어져 있습니다. 국제단위계(SI)는 세계 대부분의 국가에서 공통으로 채택하여 사용하는 7개의 기본 단위를 지칭합니다. 만약 나라마다 혹은 상점마다 서로 다른 측정 기준을 사용한다면, 물건의 무게를 신뢰하고 거래하거나 약속 시간을 정확히 맞추는 일조차 불가능해질 것입니다. 언어가 원활한 소통을 가능케 하는 도구인 것처럼, 단위는 측정이라는 전문적인 세계에서 전 인류가 함께 사용하는 공통의 언어와 같습니다. 이러한 단위는 각국의 전문가들이 정기적으로 모여 과학적 근거를 바탕으로 그 정의를 더욱 정교하게 다듬어 나가며 현대 문명의 신뢰를 유지하는 밑바탕이 됩니다. 고대 이집트에서는 손가락 끝에서 팔꿈치까지의 길이를 기준으로 '큐빗'이라는 단위를 만들어 사용했습니다. 하지만 신체의 크기는 사람마다 다르기 때문에 이러한 방식은 필연적으로 측정 결과의 불일치와 다툼을 불러왔습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 시간이 흘러도 변하지 않는 자연에서 절대적인 기준을 찾기 시작했습니다. 초기에는 지구의 둘레를 활용해 미터를 정했으나, 오늘날에는 한층 진보하여 우주에서 결코 변하지 않는 물리량인 빛의 속도를 통해 길이를 정의하고 있습니다. 이러한 물리 상수를 활용한 정의 덕분에 우리는 지구상 어디에서나 오차 없이 동일한 길이의 기준을 공유하며 기술의 발전을 이룩할 수 있게 되었습니다. 시간의 단위인 '초'는 단순히 하루의 흐름을 나누는 것을 넘어 현대 사회의 정밀 시스템을 지탱하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 우리가 일상적으로 사용하는 온라인 뱅킹 서비스에서 송금과 수신 시간을 정확히 기록하는 일부터, 자동차 내비게이션에 탑재된 GPS 장치가 현재의 위치를 파악하는 과정까지 모두 정밀한 시간 표준이 있기에 가능합니다. GPS는 여러 인공위성에서 보내는 시간 신호의 차이를 계산하여 위치를 결정하므로, 아주 미세한 시간적 오차만 발생하더라도 안내하는 경로에 커다란 오류가 생길 수밖에 없습니다. 이렇듯 보이지 않는 찰나의 순간을 정확하게 정의하고 유지하는 기술은 현대 문명을 안전하고 효율적으로 운영하는 보이지 않는 엔진입니다. 질량을 나타내는 단위인 '킬로그램'은 물질이 가진 고유한 양을 측정하는 척도입니다. 흔히 혼동되는 무게는 지구가 당기는 중력의 크기에 따라 달라지지만, 질량은 우주 어디에서도 변하지 않는 고유한 값을 지닙니다. 지난 100여 년 동안은 특정한 금속으로 만든 '킬로그램 원기'가 기준이었으나, 시간이 지나며 미세하게 질량이 변한다는 사실이 밝혀지면서 과학계는 큰 변화를 맞이했습니다. 이에 따라 변하지 않는 물리 상수인 '플랑크 상수'를 이용해 질량을 새롭게 정의함으로써 물리적인 실체 없이도 완벽한 기준을 세우게 되었습니다. 이제는 키블 저울과 같은 첨단 장비를 통해 가장 정밀한 수준에서 질량의 표준을 구현하며 미래 과학의 신뢰성을 높이고 있습니다. 전기와 온도, 그리고 빛의 밝기를 측정하는 단위들 또한 인류의 삶을 더욱 편리하고 풍요롭게 가꾸어 줍니다. 현대 문명의 동력인 전기를 측정할 때는 전류의 단위인 '암페어'가 기준이 되는데, 과거의 불분명했던 정의를 대신해 이제는 전자의 흐름을 직접적으로 연관 지은 물리 상수를 활용합니다. 눈에 보이지 않는 아주 작은 전자의 개수까지 정확하게 세어 전기를 정량화하는 과학의 힘은 우리가 각종 전자제품을 안전하게 사용할 수 있는 근간이 됩니다. 측정 과학자들의 헌신적인 연구로 완성된 이러한 정밀한 단위 체계는 단순한 숫자를 넘어, 인류가 미지의 세계를 탐험하고 더 높은 기술적 성취를 이루기 위한 가장 견고한 디딤돌이 되어줄 것입니다.

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[KRISS 인터뷰 뒷 이야기] 플랑크상수질량팀 김동민 박사, 이광철 박사, 김명현 박사, 서민기 박사

최근 질량의 단위인 킬로그램이 킬로그램 원기에서 물리 상수를 활용한 방식으로 재정의되면서, 전 세계 과학계는 새로운 측정 표준을 확립하기 위한 실험에 매진하고 있습니다. 이 과정에서 각 나라가 보유한 척도 눈금을 서로 일치시키는 '국제비교' 작업은 기술적 신뢰도를 확보하는 데 필수적입니다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 자체 개발한 키블 저울을 이용해 도출한 첫 번째 실험 데이터를 바탕으로 이번 국제비교에 성공적으로 참여했습니다. 이는 과거의 킬로그램 원기 기준에서 완전히 벗어나 물리 상수를 기반으로 질량 표준을 결정하는 역사적인 과정에 우리 기술이 당당히 포함되었다는 점에서 매우 큰 의의가 있습니다. 우리나라는 지난 2012년부터 독자적인 키블 저울 연구 사업에 착수하여 약 8년이라는 인고의 시간 끝에 의미 있는 첫 측정 데이터를 얻어내는 성과를 거두었습니다. 현재 캐나다나 미국과 같은 정밀 측정 선진국들은 약 10 마이크로그램 수준의 극도로 정밀한 정확도를 확보하고 있는 상태입니다. 이에 비해 우리나라는 첫 측정 결과에서 약 100 마이크로그램 정도의 불확도를 나타내고 있지만, 이는 시작 단계로서 매우 고무적인 수치입니다. 선진 기관들 역시 첫 결과값을 내기까지 통상 10년 이상의 세월이 걸렸다는 점을 감안하면, 한국의 기술력은 단기간에 세계 최고 수준에 근접할 수 있는 충분한 잠재력을 증명한 셈입니다. 연구진은 1호기 운영을 통해 축적한 다양한 노하우와 기술적 개선점들을 바탕으로 차세대 장비인 2호기 개발을 기획하고 있습니다. 미국의 사례를 보면 수십 년간 1호기부터 4호기까지 꾸준히 장비를 개량하며 얻은 데이터가 결국 고성능 구현의 핵심 자산이 되었습니다. 특히 글로벌 팬데믹과 같은 예기치 못한 위기 상황 속에서도 독자적인 측정 표준을 유지하고 국산화 기술을 확보하는 것은 국가 과학기술 경쟁력과 직결되는 문제입니다. 1호기 실험 과정에서 발견된 미세한 불확도 요인들을 면밀히 분석하고 새로운 공학적 아이디어를 적용함으로써, 향후 질량 구현의 정확도를 선진국 수준으로 대폭 끌어올릴 계획입니다. 물리 상수를 통해 질량을 완벽하게 구현하는 기술은 현재 세계적으로도 여전히 완성되어 가는 단계에 머물러 있습니다. 실제로 가장 앞선 기술력을 보유한 미국과 캐나다, 독일의 측정값 사이에서도 최대 70 마이크로그램 수준의 미세한 차이가 발생하고 있는데, 이는 키블 저울 내부에 우리가 아직 명확히 규명하지 못한 불확도 요인이 존재함을 시사합니다. 따라서 각국의 실험 결과를 지속적으로 비교하고 평균화하여 공통된 기준점을 찾아가는 과정이 무엇보다 중요합니다. 이러한 측정값의 불확도를 20 마이크로그램 이내로 좁히는 일치 과정이 성공적으로 마무리되어야 비로소 새로운 질량 표준의 확립이 완성될 수 있습니다. 국제적인 측정 일치가 성공적으로 이루어지면 키블 저울을 보유한 국가들은 다른 나라의 표준에 의존하지 않고 독자적으로 킬로그램 단위를 구현할 수 있는 측정 주권을 갖게 됩니다. 이는 국가 정밀 측정 분야에서의 완전한 자립을 의미하는 중요한 전환점이 될 것입니다. 비록 키블 저울 연구가 오랜 시간과 끈기를 요구하는 지난한 작업일지라도, 우리 연구진은 향후 10년 내에 현재의 기술적 난제들을 해결하고 세계 최고 수준의 정밀도를 달성할 것으로 전망하고 있습니다. 키블 저울 연구의 첫 번째 장이 성공적으로 마무리된 지금, 더욱 정교해질 다음 단계의 연구 결과들이 과학계의 큰 기대를 모으고 있습니다.

한국표준과학연구원KRISS 연구자 인터뷰

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