킬로그램(기호 kg)은 국제단위계(SI)의 질량 기본 단위다. 2019년 5월 20일부터는 플랑크 상수 의 값을 정확히 고정해 정의하며, 그 값은 이다.[6][8]
1. 개요
2. 국제킬로그램원기와 기존 정의
2019년 재정의 전에는 프랑스 세브르의 국제도량형국(BIPM)에 보관된 국제킬로그램원기(IPK)의 질량을 1 kg으로 삼았다. 이 원기는 백금 90%와 이리듐 10%의 합금으로 만든 인공물이었다.[1][5][8]
각국의 국가측정표준기관은 보유한 표준 분동의 질량을 국제 원기와 비교해 보정했고, 이를 바탕으로 다른 작업용 표준에도 질량 기준을 전달했다. 따라서 여러 나라의 측정값이 하나의 원기에 연결되는 비교 체계가 형성됐다.[1]
원기의 질량은 시간이 지나며 수십 마이크로그램가량 변한 것으로 보고됐다. 특정 인공물 하나에 의존하면 원기 자체의 변화가 질량 표준에 영향을 줄 수 있다는 한계가 드러났다.[2][8][12]
3. 플랑크 상수에 기반한 정의
현재 킬로그램은 플랑크 상수 의 수치를 로 고정해 정의한다. 줄·초 단위로 표현한 값은 와 같으며, 미터와 초의 정의를 함께 사용해 질량 단위를 정한다.[6][8]
이 방식은 특정 원기의 상태가 아니라 고정된 자연상수에 질량 단위를 연결한다. 플랑크 상수의 값이 정의상 정확히 고정되므로, 여러 실험실이 그 값과 관련된 측정 방법으로 킬로그램을 구현할 수 있다.[6][9]
2018년 국제도량형총회는 재정의를 승인했고, 새 정의는 2019년 5월 20일 발효됐다. 기존 원기에서 자연상수로 기준을 옮기면서도 생활 속 1kg의 크기는 유지됐다.[8][12]
4. 질량 단위의 실현 방법
키블 저울은 질량체가 받는 중력과 전류가 흐르는 코일에 작용하는 전자기력을 비교해 질량을 실현한다. 전기 측정과 양자 표준을 통해 측정값을 플랑크 상수에 연결한다.[2][8]
또 다른 방법인 X선 결정 밀도법(XRCD)은 고순도 실리콘 결정 구 안에 들어 있는 원자 수를 측정해 질량을 산출한다. 키블 저울과 XRCD는 모두 플랑크 상수에 기반한 질량 실현 방법이다.[3][8]
재정의 이후 국가측정표준기관은 이런 방법을 이용해 각국에서 독립적으로 질량 표준을 구현할 수 있다. 이 체계에서는 표준을 다른 나라의 물리적 원기에 직접 의존하지 않고 자연상수에 연결한다.[3][8]
5. 국제 표준과 국내 연구
한국표준과학연구원(KRISS)은 자체 기술로 개발한 키블 저울을 이용해 킬로그램을 실현하고 국제 비교에 참여했다. 그 비교에서 KRISS의 불확도는 이었으며, 참가 기준인 보다 낮았다.[2]
국내 질량 표준 연구는 키블 저울을 통한 1kg 실현에 한정되지 않는다. KRISS의 연구 주제에는 미세질량 실현, 질량 측정 장비 간 비교에 쓰는 전달표준기, 표준을 보급하는 기술 개발도 포함된다.[4]
국제 비교는 각국의 측정 결과를 서로 비교해 국제 질량 표준의 일관성을 확인하는 절차다. KRISS는 캐나다 NRC, 미국 NIST, BIPM, 중국 NIM 등과 비교에 참여했다.[2]