'힘표준능력' 세계수준 도약 기여산업이 날로 고도화됨에 따라 측정 표준의 정확도가 중요시되고 있다. 힘 측정의 경우 수십 MN(메가뉴턴)이상의 하중을 다루는 항공우주산업, 중화학공업, 플랜트산업에서부터 수십 ㎍ 이하의 질량을 측정하는 초정밀 저울 분야 및 원자현미경이 감지하는 NN(나노뉴턴)에 이르기까지 그 범위가 광범위하다.
각국의 국가표준기관마다 실하중 힘표준기를 개발해 힘의 국가표준용으로 사용하고 있는데 이들이 얼마나 정확한지를 평가해야 하는 문제가 발생하게 된다.
한국표준과학연구원 강대임 물리표준부장은 새로운 힘 측정시스템을 이용해 힘표준기의 정확도를 정량적으로 평가할 수 있는 기술을 독자적으로 개발, 우리나라 힘표준능력을 선진국수준으로 향상시켰다.
강 박사는 이 기술을 이용해서 표준연구원이 보유하고 있는 100kN 및 500kN 용량의 실하중 힘표준기의 정확도를 평가했다.
또 측정표준의 세계최고기관인 일본 계량표준연구소(99년)와 독일 연방물리청(2000년)이 보유하고 있는 힘표준기들의 정확도를 평가, 그동안 선진국으로부터 측정기술을 배우는 입장에서 벗어나 우리의 고유기술로 선진국의 표준기를 평가하는 성과를 올렸다.
힘표준기는 분동에 의해 발생되는 동력을 힘측정기에 전달하는 힘발생장치를 말한다. 즉 힘측정기가 얼마나 정확한지를 확인하는 장비를 일컫는다.
힘의 측정단위인 1N(뉴턴)은 100g 가량 무게가 나가는 사과 반쪽을 들고 있을 때 손에 느끼는 힘을 말한다.
그동안 세계 각국의 표준기관들은 고유의 힘표준기를 개발해 국가표준기로 사용해왔다.
힘표준기의 정확도는 이론적으로는 0.002% 이내인 것으로 추정됐다. 즉 100kN 힘을 발생시킬 경우 2N의 오차가 있음을 의미한다.
독일, 프랑스, 이탈리아 등 선진국들은 80년대초부터 힘표준기의 정확도를 확인하기 위해 각국의 힘표준기들에 대한 상호비교시험을 실시한 결과, 상대편차가 최대 0.01%에 달하는 것으로 드러났다.
이처럼 힘표준기의 상대오차가 각국에서 주장하는 힘표준기들의 정확도보다 5배나 크게 발생한 이유는 힘표준기 추의 움직임, 힘표준기의 가공오차와 제작오차, 힘변환기의 안정도 등 때문인 것으로 추정됐다.
이에 따라 힘표준기 자체의 정확도를 정량적으로 평가할 수 있는 절대평가방법 개발의 필요성이 제기돼 왔다.
가장 먼저 나선 나라는 이탈리아. 이탈리아 국가표준기관인 IMGC는 유럽연합으로부터 연구비를 지원받아 힘표준기에서 발생되는 힘의 성분들을 정량적으로 측정할 수 있는 힘변환기의 개발연구를 수행해 힘표준기 정확도 평가방법을 개발했다.
그러나 IMGC가 개발한 방법은 측정가능 범위가 500kN이하로 매우 제한돼 있으며 측정장치의 교정이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
따라서 전세계 표준기관들이 보유하고 있는 다수의 힘표준기들의 정확도 평가에 광범위하게 사용하기에는 어렵다는 치명적인 단점을 갖고 있다.
강 박사가 개발한 방법은 기존 방법과는 달리 측정 시스템 구축이 용이하고 측정 용량을 쉽게 늘릴 수 있는 장점을 가지고 있다.
즉 강 박사는 누구나 쉽게 만들 수 있는 새로운 힘측정시스템을 사용해 힘표준기의 정확도를 절대적으로 평가하는 방법을 개발했다는 점에서 의미가 크다.
이는 세계적으로 처음 시도된 독창적인 것으로서 힘표준기의 정확도 절대평가에 손쉬운 방법을 제공함으로써 앞으로 각국의 표준기관들이 보유하고 있는 힘표준기들의 정확도 평가에 유용하게 사용될 전망이다.
강 박사의 힘표준기 절대평가방법은 새로운 기법을 이용한 힘측정시스템을 기반으로 하고 있다.
이 힘측정시스템은 병렬로 배열된 힘센서를 이용해 측정하려는 힘을 분산, 감지함으로써 대용량 힘을 효율적으로 측정할 수 있는 방법이다.
또한 작은 용량의 힘표준기를 이용해 여러 개의 힘센서를 교정한 후 시스템을 구성해 사용함으로써 대용량 힘표준기 구현 방법으로도 활용될 수 있다. 프랑스, 영국 , 한국 등의 국가표준기관에서 이 방법을 이용해서 10MN이상의 대용량 힘표준을 확립했다.
이 기술을 이용해 세계 주요 국가 표준기관들이 보유하고 있는 힘표준기의 정확도를 평가하고 데이터베이스화할 경우 이 측정시스템은 국제도량형위원회(CIPM) 산하 질량 및 관련량자문위원회(CCM)가 주관하는 핵심비교의 전달용 표준기로 사용되고 국제표준 규격으로 채택될 것으로 기대된다. 또 이 기술은 고정밀 힘표준기 개발에도 매우 유용할 것으로 보인다.
강 박사는 3편의 논문을 국외 SCI 저널에 실었으며 2편을 제출중이고 4편을 국제학술회의에 발표했다.
질량, 힘표준과 같은 전통 측정표준 분야는 논문을 발표하기가 워낙 어렵다는 점을 감안할 때 강 박사의 발표실적은 상당한 것으로 평가받고 있다.
강 박사는 "그동안 힘측정분야의 경우 국내수준이 국제수준에 비해 낙후된 분야였으나 이번 연구결과로 힘표준기 정확도평가기술에서는 세계 최고수준에 도달했다고 장담할 수 있다"고 말했다.
연성주기자
