“7월 1일 오전 8시 59분 58초, 59초, 60초….” 다음 달 1일 우리나라에서 1초가 늘어나는 윤초 얘기다.

세계 협정시(UTC)로 `6월 30일 자정에 1초가 늘어난다. 우리나라는 UTC보다 9시간 느리기 때문에 7월 1일 오전 9시 전에 1초가 늘어난다. 이날은 일요일이어서 주식 시장에 영향은 없다.

윤초가 우리나라에 처음 도입된 것은 72년이다. 지금까지 총 25회 윤초가 도입됐다. 가장 최근 윤초를 도입한 시기는 2009년이다. 일부에선 윤초 폐지론도 제기해 그동안 우리가 배워온 영국 그리니치 천문대의 표준시(GMT) 위상도 흔들리고 있다. 과학 진화에 따른 원자시계의 대두가 초래한 결과다. 윤초 재설정을 계기로 시간 정확성 연구와 시계 개발이 어디까지 왔는지 자세히 들여다봤다.

◇영국 그리니치 표준시 위상 흔들= 윤초는 지구의 자전을 기반으로 하는 영국 그리니치 천문대의 표준시와 세상에서 가장 정확하다는 세슘 원자시계 간 오차가 생기면서 도입한 `초` 개념이다. 대개 1초가 늘어난다. 우리나라에서는 오는 7월 1일 오전 8시 59분 59초에 윤초가 도입된다. 일부에서는 윤초에 대한 폐지 요구도 있다. 컴퓨터와 GPS 등을 이용한 자동항법장치 등에 혼란을 일으킬 수 있기 때문이다. 1초를 잘못 인식할 경우 내비게이션이나 미사일 방위시스템, 항공시스템 등이 거리를 잘못 계산할 수 있다.

2009년 1월 1일에는 일부 리눅스 시스템에 작동 오류가 발생했다. 윤초를 인식하지 못해서다. 전문가들은 윤초를 폐지하면 50년에 대략 30초 정도 오차가 발생할 것으로 예측했다. 원자시 때문에 세계 표준시의 기준으로 쓰이는 영국 그리니치 표준시 위상도 흔들리고 있다. GMT는 그리니치 천문대의 자오선 시간이 기준이다. 그러나 자오선 시간은 지구 자전이 불규칙하기 때문에 정확성이 떨어진다. 표준시를 원자시로 확립하면 영국의 그리니치 표준시는 무용지물이 된다. 국제전기통신연합(ITU)은 오는 2015년 세계무선통신회의(WRC)에서 윤초 폐지 여부를 논의할 예정이다.

◇ 가장 정확한 시계 2조년에 1초 틀려= 국제 시간 표준 생성에 사용되는 가장 정확한 원자시계는 세슘원자분수시계다. 정확도가 10-14~10-15로 3000만년에 1초 정도 오차가 있다.

세슘원자분수시계는 1980년대 개발된 원자의 레이저 냉각 기술을 이용한다. 세슘원자시계보다 더 정확한 시계도 있다. 실험실 수준이지만, 미국 표준기관이 알루미늄 이온 광시계를 개발했다. 오차는 2조년에 1초 수준이다. 권택용 한국표준과학연구원 시간센터장은 “그러나 원거리에 있는 광시계를 서로 비교할 수 있는 표준기술이 현재는 없다”며 “이 기술을 적용하기 위한 위성 간 시간계산 능력부터 확보해야 할 것”이라고 말했다.

오는 2019년께나 돼야 광시계 초적용이 논의될 것으로 보고 있다. 미국과 호주 등 일부 과학자들은 핵자기쌍극자 전이에 해당하는 복사선을 가진 토륨이온을 이용해 시계를 만들면 정확도가 10조년에 1초 오차 나는 이온 핵시계 개발이 가능할 것이라는 전망도 있다. `초`는 1967년 제13차 국제도량형총회(CGPM)에서 세슘 133원자의 바닥상태에 있는 두 초미세 준위간 전이에 해당하는 복사선의 `9 192 631 770` 주기의 지속시간으로 정의했다.

◇왜 정확한 시계 필요한가= 정보통신산업과 우주항공산업, 전력산업 등에 없어서는 안 될 개념이다. 시간주파수 표준이 쓰이는 대표적인 분야는 이동통신에서 시분할 또는 주파수 분할 기술이다. 시간의 단위 `초`는 주기적으로 반복되는 현상이기에 시간주파수라는 개념과 같이 쓰인다.

최근엔 지진관측, 기상관측, 우주전파 관측, 물리상수 측정 등 과학기술 분야와 유비쿼터스, 센서네트워크, 홈오토메이션 등과 같은 미래 첨단 산업 분야에서도 광범위하게 쓴다.

장거리 간섭계(VLBI)를 구성해 천체관측, 대륙의 이동, 암흑물질의 중력렌즈 등을 연구하는데도 시각동기는 필수다. 천문연구원이 서울, 제주, 울산에 3대의 전파 관측시설로 구성되는 한국 장거리간섭계 네트워크(KVN)를 구축해 정확한 시간을 활용하고 있다.

역사상 처음으로 정확한 시간이 필요했던 것은 해상에서의 생존 문제 때문이었다. 1714년 영국에서는 경도법을 제정했다. 이 법에서는 경도를 정확히 측정하는 방법을 발견한 사람에게 2만 파운드(현재 수억원대)의 상금을 내걸었다. 당시 해상활동이 활발했지만, 대양에서 자신의 위치를 정확히 몰라 길을 잃는 경우가 허다했다. 위도는 별의 고도를 측정해 알 수 있지만, 경도는 파악하기 어려웠다. 이 문제는 존 해리슨이라는 사람이 1773년 2개월 동안 2초(정확도 10-6)이상 틀리지 않으면서도 휴대할 수 있는 시계를 만들어 해결했다.

◇ 국내 시간연구 어디까지 왔나= 국내에서는 한국표준과학연구원(KRISS)이 5대의 세슘원자시계와 4대의 수소메이저 원자시계를 이용해 국제협정시(UTC)를 생성한다. 이 데이터는 매달 국제도량형국(BIPM)에 보내진다. BIPM은 세계 각국 70여개 실험실에서 400여대의 원자시계 데이터 가중평균을 구해 자유원자시 척도를 계산하고, 국제원자시(TAI)를 만들어 내고 있다.

UTC는 TAI에 윤초를 도입해 평균 태양시와 보조를 맞춘 시간척도를 세계협정시(UTC)라고 한다. TAI와 UTC는 현재 34초의 차이가 있다. 내년엔 세슘원자분수시계를 선보일 예정이다. 개발 기간은 10년이 소요됐다. 정확도 목표는 4×10-16정도 될 것으로 예상했다. 우주 역사와 맞먹는 100억년에 1초 정도 틀리는 정확도다.

권택용 시간센터장은 “중성원자 이트븀을 이용한 광격자시계도 개발 중이다. 표준과학연구원은 지난해 1.8×10-14의 정확도를 얻었다”며 “이 기술은 미국, 일본만이 성공한 기술”이라고 덧붙였다.

상용화된 소형 원자시계로는 현재 루비듐(Rb) 원자시계가 가장 널리 쓰인다. 정확도는 10-11~10-13이다. 30만년에 1초 틀린다고 보면 된다. 크기가 2.3×7.8×1.1㎝다. 이 원자시계는 램프를 이용하기 때문에 더 작은 크기로 제작하는 것은 불가능하다는 것이 정설이다. 이 한계를 극복한 것이 램프 대신 다이오드 레이저를 쓰는 시계다. 미국의 표준기관인 `NIST`에서 초소형의 CSAC(칩 규모 원자시계)를 개발했다. 물리부 크기가 4.2×1.5×1.5㎜다. 실제 응용이 가능한 최종 크기는 1㎤ 이하가 될 것으로 예측됐다. 물리부는 원자로부터 시계 공진신호를 얻기 위한 원자셀과 광학계를 일컫는다. 다이오드레이저, 세슘원자셀, 포토 다이오드, 온도조절용 히터 등으로 구성돼 있다.

- 전자신문