일상생활 속 필수품으로 자리 잡고 있는 내비게이션, 무선인터넷, 핸드폰 등의 성능은 수신감도에 따라 결정될 정도로 그 안에 들어있는 수신기의 성능이 중요하다. 뿐만 아니라 우주의 구석구석을 탐색해 은하와 우주의 근원을 찾아내거나 지구의 수증기 양이나 구름 속의 물 함유량 등을 산출함으로써 기상관측을 수행하기 위해서는 수신기의 성능이 첨단 장치의 성능을 가늠하는 중요하는 요소가 된다. 따라서 고가의 최첨단 장비가 제 역할을 하기 위해서는 왜곡 없이 정확하게 신호를 알아내는 수신기의 성능이 관건이다.

이를 위해 KRISS(한국표준과학연구원, 원장 김명수) 미래융합기술부 나노양자표준연구단 정연욱 박사팀은 기존의 상용 표준 신호 발생기 보다 100배 이상 깨끗하고 정확한 신호를 발생시킬 수 있는 정밀 표준신호 발생장치 구축에 성공했다.

구축한 시스템은 100 mV급 출력의 저전압에서 표준 신호를 발생하며, 고주파 기술과 극저온 기술, 초전도 물성기술, 물리학 원천기술 등이 복합적으로 적용된다. 다양한 첨단기술이 적용되는 만큼 기술적 어려움으로 인해 현재 이를 보유한 국가는 미국, 독일, 네덜란드 등 일부 국가에 불과하다.

기존의 표준신호 발생기는 반도체 소자를 활용했다. 하지만 반도체소자는 디지털 신호를 아무리 정밀하게 만들더라도 디지털 신호 자체의 흔들림에 의해 오차가 발생하기 때문에 신호에 잡음이 섞여 정확한 신호를 발생시킬 수 없었다.

디지털 방식으로 아날로그 신호를 합성하는 원리는 0과 1의 디지털 신호를 디지털-아날로그 변환기를 통해 아날로그 신호로 바꾸는 것이다. 이는 일반적인 CD 플레이어와 같은 원리이다.

이를 해결하기 위해 정박사팀은 초전도 소자인 조셉슨소자를 활용해 표준신호를 발생시키는 기기 구축에 성공했다. 아날로그 신호를 합성할 수 있는 파형발생기를 구축해 정확한 표준 신호를 만든 것이다. 조셉슨 접합소자에서 발생하는 디지털 펄스는 양자역학의 법칙에 의해서 물리학의 기초상수인 플랑크상수와 전자의 전하량으로 정의된다. 따라서 디지털 신호 자체가 양자역학적으로 정확한 0과 1의 펄스신호를 이용하기 때문에 정확하고 잡음이 없는 순수한 신호를 만들어 낼 수 있다.

조셉슨 접합은 두 개의 초전도체를 절연물질 사이에 두고 연결시키는 것으로, 전압이 높아지면 절연물질이 사이에 있어도 초전도체 사이에 전류가 흐르게 되는 원리를 말한다. 조셉슨 접합소자는 슈퍼 컴퓨터용 초고속 회로소자로 기존의 비해 연산속도 및 소비전력 등에서 뛰어나다.

세계적으로 계측기분야를 주도하고 있는 나라는 미국, 일본, 독일 등이다. 이번 성과를 통해 앞으로 우리나라 관련 계측기 업계의 경쟁력 향상에 크게 기여할 전망이다.

앞으로 정박사팀은 주파수와 신호세기가 확장된 정밀 표준 신호 개발을 위해 노력할 계획이다. 앞으로 연구진은 다양한 정밀신호의 발생을 응용하여 신호처리, 증폭기 성능 검증, 방위산업 관련 기술개발, 우주항공분야 관련 기술, 잡음온도 현상연구 등의 원천연구에 활용할 예정이다.