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[KRISS 보물] 3화 대한민국 시간 표준의 시작, 세슘원자시계 'KRISS-1'

우리는 일상 속에서 스마트폰과 시계를 통해 흐르는 시간을 너무나 당연하게 받아들입니다. 하지만 대한민국이 스스로의 시간을 갖게 된 것은 그리 오래된 일이 아닙니다. 과거 자격루와 앙부일구로 시간 주권을 세웠던 역사가 있었으나, 근대화 과정에서 그 주권은 흔들렸습니다. 1970년대까지만 해도 우리나라는 독자적으로 정확한 시간을 생성할 기술이 없어 일본의 표준 주파수 전파에 의존해야 했습니다. 이러한 상황에서 한 나라의 고유한 시간 표준이 없다는 사실에 문제의식을 느낀 연구자들의 노력으로 1978년 처음으로 원자시계를 도입하며 대한민국 시간 표준의 심장이 박동하기 시작했습니다. 미국에서 수입한 원자시계로 세계협정시와 동기화하는 데 성공했지만, 상용 시계를 단순히 사 오는 것만으로는 완벽한 기술 독립이라 할 수 없었습니다. 진정한 기술 주권을 확보하기 위해서는 우리 힘으로 원자시계를 직접 제작하고 관리하며, 오차를 교정할 수 있는 원천 기술이 필요했습니다. 선진국들은 이미 완성된 시스템을 도입할 것을 권유했으나, 한국표준과학연구원은 먼 미래를 내다보고 독자적인 1차 주파수 표준기 개발이라는 험난한 길을 선택했습니다. 남의 기술에 의존하는 한 문제가 생겨도 스스로 해결할 수 없다는 판단 아래, 늦더라도 우리만의 시계를 만들겠다는 결연한 의지를 다진 것입니다. 독자적인 원자시계 개발은 기반이 전혀 없는 불모지에서 시작된 도전이었습니다. 1980년대 당시 연구원의 인프라는 매우 열악하여 기술을 구현할 장비조차 마땅치 않았습니다. 하지만 연구진은 일본과 미국을 오가며 기술 확보에 매진했습니다. 일본의 코가 박사로부터 핵심 부품인 세슘을 기증받고, 미국 국립표준기술연구소에서 광펌핑 방식의 첨단 기술을 직접 익히며 연구에 속도를 냈습니다. 낮에는 미국에서 배우고 밤에는 한국에서 실험 결과를 확인하는 치열한 과정을 통해 일본의 노하우와 미국의 첨단 기술, 그리고 한국 연구진의 끈질긴 집념이 하나로 뭉쳐 개발의 기틀을 마련했습니다. 20년이라는 긴 사투 끝에 2008년, 마침내 대한민국 독자 원자시계인 KRISS-1이 탄생했습니다. 이 시계는 100조분의 1초라는 경이로운 불확도를 자랑하며, 약 300만 년 동안 단 1초의 오차도 허용하지 않는 세계 최고 수준의 정확도를 입증했습니다. 결국 국제도량형국에 등록되어 세계에서 일곱 번째로 국제원자시 생성에 기여하는 1차 주파수 표준기로 당당히 인정받았습니다. 이는 단순한 기계 개발을 넘어 대한민국의 시간 주권을 완벽하게 확립한 역사적 쾌거였습니다. 우리 기술로 만든 시간이 전 세계의 기준이 되는 일원이 된 것입니다. 정확한 시간은 오늘날 GPS, 통신, 금융, 우주 산업 등 첨단 기술 전반을 지탱하는 핵심 인프라입니다. 위성 신호의 미세한 시간 오차가 지상에서는 수백 미터의 위치 오류를 발생시킬 수 있기에, 1초의 오차를 줄이는 일은 국가의 안보 및 산업 경쟁력과 직결됩니다. KRISS-1에서 시작된 도전은 현재 20억 년에 1초 오차를 갖는 이터븀 광시계로 이어지며 대한민국을 세계 5위권의 시간 강국으로 끌어올렸습니다. 이제 우리나라는 2030년대 예정된 ‘초의 재정의’ 시대를 선도하는 리더로서, 짧은 1초 속에 담긴 꺾이지 않는 집념을 세계 무대에서 증명해 나가고 있습니다.

[슬기로운 과학생활] 방구석 과학 제2편: 붙잡을 수 없는 시간, 붙잡아야 하는 시간

우리가 시간을 인지하는 가장 원초적인 방법은 자연의 반복적인 현상을 관찰하는 것입니다. 해가 뜨고 지는 주기를 통해 하루를 정의하고, 이를 24시간으로 나누어 생활의 기준으로 삼아왔습니다. 하지만 일상에서 사용하는 벽시계나 손목시계 속의 진동자는 온도나 습도 같은 외부 환경의 영향을 받기 마련입니다. 무더운 날씨에는 진동자가 미세하게 늘어져 시간이 느려지기도 하는데, 이러한 오차를 해결하기 위해 우리는 더 정밀한 시간의 기준을 끊임없이 탐구해 왔습니다. 현대인들이 가장 많이 의존하는 휴대폰 시계 역시 완벽한 독립체는 아닙니다. 휴대폰 내부의 진동자도 비행기 모드와 같은 통신 단절 상태가 길어지면 오차가 발생할 수 있기 때문입니다. 그럼에도 휴대폰 시계가 정확한 이유는 기지국과 실시간으로 통신하며 시간을 보정하기 때문이며, 그 기지국의 시계는 결국 원자시계라는 궁극의 기준점에 맞춰져 있습니다. 보이지 않는 곳에서 원자시계가 우리 삶의 모든 질서를 정교하게 조율하고 있는 셈입니다. 인류는 해시계와 물시계를 거쳐 지구의 자전과 공전을 시간의 척도로 삼았습니다. 지구가 스스로 도는 자전은 낮과 밤을 만들고, 태양 주위를 도는 공전은 사계절의 변화를 가져옵니다. 그러나 과학 기술이 비약적으로 발전하면서 지구의 움직임조차 미세하게 변한다는 사실이 밝혀졌고, 더는 천체 운동을 절대적인 기준으로 삼기 어려워졌습니다. 이에 과학자들은 비가 오나 눈이 오나, 어떤 환경에서도 변하지 않는 미시 세계의 규칙인 원자에 주목하게 되었습니다. 원자시계의 탄생 배경에는 20세기 물리학의 양대 산맥인 상대성 이론과 양자역학이 있습니다. 양자역학을 통해 발견된 원자의 고유 주파수는 외부 환경에 상관없이 일정한 성질을 유지합니다. 원자시계는 바로 이 변하지 않는 원자의 고유 주파수와 시계의 진동자를 끊임없이 비교하며 오차를 수정합니다. 현재 가장 앞선 원자시계는 10억 년에 단 1초의 오차도 허용하지 않을 만큼 정밀하며, 이는 우주의 나이와 맞먹는 시간 동안 거의 틀리지 않는 수준임을 의미합니다. 세계 각국은 저마다의 원자시계를 운용하며 이를 바탕으로 '협정 세계시(UTC)'라는 공통의 약속을 만듭니다. 이는 올림픽 기록 측정처럼 0.01초 차이로 승부가 갈리는 순간에 결정적인 역할을 합니다. 10년 전의 1초와 오늘의 1초가 정확히 일치해야만 선수들의 노력이 담긴 기록의 가치가 증명되기 때문입니다. 전 세계가 데이터를 모아 평균을 내고 시간을 동기화하는 이유는, 시간이 단순한 숫자를 넘어 인류가 공유하는 가장 신뢰할 수 있는 물리량이어야 하기 때문입니다. 원자시계는 우리 실생활의 필수 기술인 GPS 내비게이션에도 깊숙이 관여하고 있습니다. 우주를 떠다니는 GPS 위성에는 정밀한 원자시계가 탑재되어 있어, 지상으로 보내는 신호의 도달 시간을 계산해 현재 위치를 파악합니다. 빛의 속도는 초당 30만 킬로미터에 달하기 때문에, 아주 찰나의 시간 오차만 발생해도 위치 정보에 엄청난 차이가 생깁니다. 우리가 모르는 사이에도 머리 위 위성 속 원자시계는 우리의 길을 안내하며 현대 문명을 지탱하고 있는 것입니다. 대한민국은 1988년부터 원자시계 개발에 뛰어들어, 2008년 국내 최초의 세슘 원자시계인 'KRISS-1'을 성공적으로 개발했습니다. 당시 기술이 전무한 척박한 환경에서도 연구원들의 피와 땀으로 일궈낸 이 성과는 세계 7위 수준의 기술력을 인정받는 계기가 되었습니다. 지금 이 순간에도 한국표준과학연구원은 더 높은 정확도를 향해 연구를 거듭하고 있습니다. 시간이라는 수수께끼를 풀기 위한 과학적 도전은 우리 삶의 질을 높이는 동시에 인류 문명을 다음 단계로 이끌 것입니다.

KRISS-1

[KRISS 보물] 3화 대한민국 시간 표준의 시작, 세슘원자시계 'KRISS-1'

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