우리 생활의 필수 요소인 반도체 소자는 정밀한 질량 측정이 기술 발전의 핵심입니다. 스마트폰부터 우주선까지 폭넓게 활용되는 소자의 미세한 측정 오차는 과학 기술과 산업 전반에 큰 문제를 일으킬 수 있기 때문입니다. 그동안 우리는 백금-이리듐 합금으로 만든 질량 원기를 1 kg의 절대적인 표준으로 사용해 왔습니다. 하지만 130년이라는 긴 시간이 흐르며 질량 원기의 표면에 이물질이 묻거나 마모되어 질량이 조금씩 변하는 치명적인 한계가 드러나기 시작했습니다.

변하지 않는 절대적인 기준을 찾기 위해 과학자들은 자연 현상으로 눈을 돌렸습니다. 빛의 속도가 길이의 기준이 된 것처럼, 질량의 새로운 기준으로 채택된 것이 바로 플랑크 상수입니다. 플랑크 상수는 아주 작은 미시 세계에서 일어나는 현상을 설명하는 물리량으로, 빛처럼 우주 어디서나 변하지 않는 속성을 지니고 있습니다. 전 세계는 이 상수를 이용해 질량을 재정의함으로써, 질량 원기가 가졌던 불안정성을 극복하고 영원히 변하지 않는 정밀한 측정의 시대를 열게 되었습니다.

2019년 5월 20일부터 킬로그램은 질량 원기가 아닌, 우주 어디서나 변하지 않는 플랑크 상수를 통해 새롭게 정의되었습니다.

한국표준과학연구원에는 이러한 플랑크 상수를 현실에서 구현하여 질량을 측정하는 장치인 키블 저울이 있습니다. 국내에 단 한 대뿐인 이 장비는 다양한 물체의 질량을 극도로 정밀하게 측정해 냅니다. 과거의 질량 원기가 수행하던 역할을 이제는 플랑크 상수의 집이라고 불리는 이 첨단 저울이 대신하게 된 것입니다. 변하지 않는 자연 상수를 바탕으로 구축된 이 측정 시스템은 국가 측정 표준의 신뢰도를 높이고 첨단 산업을 뒷받침하는 결정적인 역할을 수행하고 있습니다.

키블 저울의 핵심 원리는 전자기력과 중력의 평형을 이용하는 두 가지 모드에 있습니다. 웨잉 모드에서는 물체의 중력에 대응하는 전자기력을 측정하여 질량을 산출하며, 무빙 모드에서는 자기장 속 코일의 움직임으로 발생하는 유도 전압을 측정합니다. 이러한 복잡한 과정을 거치면 자기장의 세기나 전선의 길이와 같은 외부 환경 요인에 구애받지 않고, 오직 플랑크 상수만을 활용하여 가장 순수한 형태의 질량값을 도출해 낼 수 있게 됩니다.

현재 우리나라의 키블 저울은 국제 비교 실험을 통해 세계적으로 우수한 성능을 인정받고 있습니다. 연구진은 현재의 성과에 안주하지 않고 더욱 정밀한 측정을 위해 끊임없는 기술 개발과 국제 협력을 지속하고 있습니다. 이제 키블 저울을 통한다면 지구를 넘어 우주 어느 곳에서도 동일하고 정확한 질량을 측정하는 것이 가능해졌습니다. 이는 미래 과학 기술의 기초를 다지는 일이며, 우리 일상의 안전과 국가 산업 경쟁력을 지탱하는 든든한 버팀목이 될 것입니다.