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이 글에서는 7가지 SI 기본 단위(킬로그램, 미터, 초, 암페어, 켈빈, 몰, 칸델라)에 대해 자세히 설명하고 각 단위가 측정하는 물리량과 정의를 쉽게 이해할 수 있도록 제공합니다.
국제단위계 SI 기본 단위
1. 킬로그램 (kg) - 질량
킬로그램은 플랑크 상수(h)의 고정된 수치 값을 J·s 단위로 6.626 070 15 × 1034로 정의하며, 이는 kg·m²·s-1 단위입니다. 미터와 초는 각각 c(진공 중 빛의 속도)와 ΔνCs(세슘 주파수)로 정의됩니다. 킬로그램은 대부분 무게로 이해되지만, 실제로는 물체의 질량을 의미합니다. 초기 정의는 1리터의 물의 질량과 동일하게 설정된 1000그램이었으며, 이는 1세제곱센티미터의 물의 질량이 1그램이라는 개념에서 출발했습니다.
□ 킬로그램 원기 (Le Grand K): 킬로그램원기는 1889년부터 2019년까지 질량의 기준으로 사용된 국제 킬로그램원기(International Prototype of the Kilogram, IPK)입니다. 백금 90%와 이리듐 10%로 만든 원통형 물체로, 프랑스 파리의 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 있었습니다. 그러나 시간이 지나면서 원기의 질량이 미세하게 변할 수 있다는 문제점이 발견되어 2019년 5월 20일, SI 단위계의 재정비에 따라 킬로그램 정의가 바뀌었습니다.
□ 플랑크 상수 기반 킬로그램: 현재 킬로그램은 물리 상수인 플랑크 상수(Planck constant, h)에 기반하여 정의됩니다. 이를 통해 질량의 정의는 시간의 흐름에 따른 변화 없이 일정하게 유지됩니다. 플랑크 상수는 초당 에너지와 주파수의 비례 상수이며, 킬로그램은 이 상수를 기준으로 정의됩니다.
□ 킬로그램 측정 장비
- 킬로그램 원기(이전 기준): 기존에는 국제 킬로그램원기와 비교하여 질량을 측정하는 방식이었습니다. 국가별로 복사본 원기를 보유하여 자체적인 측정을 진행했습니다(아래 그림 좌측).
- 키블 저울(Kibble Balance): 플랑크 상수를 이용한 질량 측정 장비로, 전자기력을 이용하여 정확한 질량을 측정합니다. 저울에 물체를 올리면 전류를 통해 전자기력을 생성하여 중력을 상쇄시키고, 이를 통해 질량을 계산합니다. 키블 저울은 전기 측정과 중력 상수를 결합하여 질량을 정확하게 측정하는 핵심 장비입니다(아래 그림 중앙).
- 실리콘 구(Silicon Sphere): 실리콘-28 동위원소로 만든 완벽한 구 형태의 물체로, 아보가드로 상수를 통해 질량을 정의할 수 있습니다. 실리콘 구는 원자의 개수를 정확하게 계산하여 질량을 측정하는 방식으로, SI 단위 재정의에 기여했습니다(아래 그림 우측, 출처: NIST).
※ 표준 장비: 킬로그램 원기, Kibble Balance, 실리콘 구
사이트: https://www.bipm.org/en/mass-metrology/kibble-balance
NPL은 킬로그램의 측정을 위한 Kibble Balance 장비와 그 원리를 소개합니다.
https://www.bipm.org/en/si-base-units/kilogram 이 정의는 정확한 관계 h = 6.626 070 15 x 10 ^(–34) kg m ^2 s^(–1)을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 세 가지 정의 상수 h , Δν Cs 및 c 에 대한 킬로그램에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.   7개의 기본 단위를 정의하는데 필요한 상수는 다음과 같습니다.
숫자 값과 정의하는 단위는 다음과 같습니다.  7개의 정의 상수의 숫자 값에는 불확실성이 없습니다. 기본 단위의 정의는 각 상수의 값이 해당 SI 단위로 표현될 때의 정확한 수치 값을 지정합니다. 모든 SI 단위는 정의 상수 자체를 통해 표현할 수도 있고, 정의 상수의 곱이나 몫을 통해 표현할 수도 있습니다. |
2. 미터 (m) - 길이 또는 거리
미터는 진공 중 빛의 속도(c)가 m/s 단위로 299 792 458로 고정된 수치로 정의되며, 초는 세슘 주파수(ΔνCs)로 정의됩니다. 미터는 거리의 기본 단위로, 길이, 면적, 부피 등을 측정하는 데 사용됩니다. 초기에는 지구의 극에서 적도까지의 거리를 기준으로 했으나, 현재는 빛이 1/299 792 458초 동안 이동하는 거리로 정의됩니다.
□ 미터의 역사적 정의 변화: 1793년: 지구 자오선의 1/10,000,000로 정의. 두 과학자인 피에르 메숭(Pierre Méchain)과 장바티스트 들랑브르(Jean-Baptiste Delambre)는 파리 자오선을 따라 프랑스 남북을 측정하는 대규모 측량 작업을 진행했습니다.
- 1960년: 1,650,763.73개의 크립톤-86 원자의 방출선을 기준으로 재정
- 1983년: 현재 정의로 바뀌어, 빛의 속도를 사용하여 미터를 측정
사이트(호리즌): https://horizon.kias.re.kr/22760/
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/metre 이 정의는 정확한 관계 c = 299 792 458 m/s을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 c 와 Δν Cs 에 따라 미터에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.  |
3. 초 (s) - 시간
초는 세슘 133 원자의 바닥 상태 초미세 전이 주파수(ΔνCs)를 9 192 631 770으로 고정된 수치로 정의됩니다. 초는 우리가 일상에서 사용하는 시간의 단위로, 세슘 원자의 고유한 주기적인 진동을 기준으로 매우 정확하게 측정됩니다.
□ 초의 역사적 정의 변화
- 고대 및 중세: 지구의 자전과 관련하여 하루를 24시간, 1시간을 60분, 1분을 60초로 나누어 시간 단위를 사용했습니다.
- 1960년대 이전: 지구 자전 주기를 기준으로 초를 정의하였으며, 특히 1 태양일의 86,400분의 1로 정의되었습니다.
- 1967년 이후: 세슘-133 원자의 진동수를 기반으로 초를 정의하여 현대적인 정확한 시간 측정 시스템을 도입하였습니다.
□ 시간 측정 장비
- 원자시계(Atomic Clock): 원자시계는 초의 정의에 따라 세슘-133 원자의 전이 주기를 기반으로 작동합니다. 이 장비는 현재 가장 정확한 시간 측정 장비로, 전 세계 표준 시간의 유지에 중요한 역할을 합니다. 특히 GPS 시스템, 통신망 동기화, 과학 연구 등에 필수적으로 사용됩니다.
- 루비듐 시계(Rubidium Clock): 세슘 원자보다 덜 정확하지만, 경제적인 이유로 널리 사용됩니다.
※ 표준 장비: 세슘 원자시계(좌: 일본 도쿄대), 이터븀 광시계(우: 한국표준과학연구원)
사이트(일본 도쿄대): https://www.joongang.co.kr/article/17133803
사이트(한국표준과학연구원): https://www.hankyung.com/article/2024011211261
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/second 이 정의는 정확한 관계 Δν Cs = 9 192 631 770 Hz를 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 Δν Cs 에 따라 단위 초에 대한 표현식이 제공됩니다.   |
4. 암페어 (A) - 전류
암페어는 기본 전하(e)의 고정된 수치 값인 1.602 176 634 × 10-19 C를 기준으로 정의됩니다. 이는 전류의 단위로, 전자의 전기적 특성에 따라 정의되며 일상에서는 전기 회로, 전선, 퓨즈와 같은 전류 관련 항목을 측정할 때 사용됩니다.
□ 전류 측정 장비
- 갈바노미터(Galvanometer): 전류의 흐름을 측정하는 초기 장비로, 전자기력을 이용하여 전류를 측정합니다.
- 암페어미터(Ammeter): 현대의 전류 측정 장비로, 직류(DC) 및 교류(AC) 전류의 흐름을 측정할 수 있습니다.
- 전류 표준기(Current standard apparatus): 매우 정밀한 전류 측정을 위한 장비로, 국가 표준 연구소에서 사용되는 장비입니다. 특히, 키블 저울(Kibble Balance)을 통해 전류 측정을 플랑크 상수와 관련시켜 측정합니다.
※ 표준 장비: 전류 측정기 (Current Balance)
사이트: https://www.nist.gov/si-redefinition/ampere-future
단일 전자 수송 장치를 절대 영도에 가깝게 냉각하는 냉장고에 둘러 쌓임
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/ampere 이 정의는 정확한 관계 e = 1.602 176 634 x 10^(–19) A s를 의미합니다. 이 관계를 역으로 표현하면 정의 상수 e 와 Δν Cs 에 따라 단위 암페어에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.   |
5. 켈빈 (K) - 열역학적 온도
켈빈은 볼츠만 상수(k)의 고정된 수치 값인 1.380 649 × 10-23 J·K-1로 정의되며, 이는 열역학적 온도의 단위입니다. 켈빈은 절대 영도(0 K)에서 시작하며, 섭씨온도와 밀접한 관계가 있습니다. 0 K는 -273.15°C에 해당합니다.
□ 켈빈의 역사적 정의 변화
- 19세기: 영국의 과학자 윌리엄 톰슨(후에 켈빈 경)은 절대 온도의 개념을 제안하였고, 이 절대 온도를 기준으로 켈빈 척도가 정의되었습니다.
- 1954년: 켈빈은 물의 삼중점(액체, 고체, 기체 상태가 공존하는 온도)에서 1/273.16로 정의되었습니다.
- 2019년: 켈빈은 더 이상 물의 삼중점에 기반하지 않고, 볼츠만 상수를 이용한 정의로 변경되었습니다. 이는 온도가 에너지의 양과 직접적으로 연결된다는 것을 의미합니다.
□ 켈빈 측정 장비
- 플래티넘 저항 온도계(Platinum Resistance Thermometer, PRT): 켈빈 온도를 측정하는 가장 일반적인 장비로, 저항 변화와 온도의 관계를 이용하여 정확한 측정을 수행합니다.
- 고정점 장치(Fixed Point Cells): 고정된 온도를 제공하여 온도계를 교정하거나 실험에 사용됩니다. 물의 삼중점, 갈륨 녹는점 등이 그 예입니다. 물의 삼중점은 물이 세 가지 상태(액체, 고체, 기체)로 동시에 존재하는 특별한 온도와 압력 조건을 말합니다. 삼중점 셀은 이를 실현하기 위한 실험 장치로, 공기가 제거된 고순도 물을 유리 용기에 담아 이 조건을 유지합니다. 물의 삼중점에서, 물은 0.01°C(섭씨) 또는 273.16K(켈빈)의 일정한 온도를 유지하며, 이는 온도 측정의 표준 기준점으로 사용됩니다.삼중점은 물이 얼음, 물, 수증기 형태로 동시에 공존하는 특이한 온도를 말해요. 우리가 온도를 정확하게 측정하기 위해 이 삼중점 상태를 인위적으로 만들 수 있어요. 이 상태의 온도가 0.01°C(또는 273.16K)로 매우 정확하고, 전 세계에서 온도를 측정하는 기준으로 쓰인답니다. 물의 삼중점 셀은 그 삼중점을 만들기 위해 공기 없이 순수한 물을 특별한 용기에 넣고 얼음을 만들어요. 얼음이 생기면 물, 얼음, 수증기가 동시에 존재하게 되면서 정확한 온도를 측정할 수 있는 상태가 돼요. 이 삼중점은 국제적으로 온도를 측정하는 데 중요한 기준이 됩니다.
- 레이저 냉각 기법(Laser Cooling): 매우 낮은 온도를 측정하거나 만들어내는 기법으로, 물질의 운동을 억제하여 절대 영도에 가까운 상태를 만들 수 있습니다.
※ 표준 장비: 온도표준기
사이트: https://www.kriss.re.kr/menu.es?mid=a10301030000
음향기체온도계를 이용하여 켈빈에 정의에 따른 열역학 온도를 구현합니다.
https://www.bipm.org/en/si-base-units/kelvin 이 정의는 정확한 관계 k = 1.380 649 x 10^(–23) kg m^2 s^(–2) K^(–1)을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 k , h 및 Δν Cs 에 따라 켈빈에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.  이는 수치를 대입하여 정리하면 다음과 같습니다.  |
6. 몰 (mol) - 물질의 양
몰은 아보가드로 수(NA)의 고정된 수치인 6.022 140 76 × 1023로 정의됩니다. 이는 화학이나 물리학에서 사용되며, 특정 입자의 수를 나타냅니다. 몰은 원자, 분자, 이온 등 특정 입자의 집합체를 측정하는 데 사용됩니다.
□ 몰의 역사적 정의 변화
- 초기 정의: 몰은 아보가드로 수에 기반하여 정의되었으며, 1몰은 12g의 탄소-12에 들어 있는 원자의 수로 정의되었습니다.
- 2019년 재정의: 몰은 아보가드로 수(6.02214076 × 10²³)를 기준으로 고정된 물질의 양을 정의하게 되었습니다. 이를 통해 화학 및 물리학에서 더 정밀한 측정이 가능해졌습니다.
□ 몰의 실용적 사용
몰은 화학 반응에서 물질의 양을 측정하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 특정 화학 반응에서 반응물과 생성물의 양을 몰 단위로 정확히 계산할 수 있습니다. 또한, 몰은 용액의 농도(몰 농도, molarity)를 계산하는 데 사용됩니다.
□ 몰 표준기에 사용되는 장비
- 실리콘 구(Silicon Sphere): 실리콘-28 동위원소로 이루어진 거의 완벽한 구 형태의 물체로, 아보가드로 상수를 통해 몰의 기준을 정밀하게 설정합니다. 이를 통해 정확한 물질의 양을 측정할 수 있습니다.
- 질량 분석기(Mass Spectrometer): 화합물의 몰 수를 계산하는 장비로, 화학 분석과 실험실에서 널리 사용됩니다.
- X-선 회절 분석기(X-ray Diffraction): 원자 배열을 분석하여 물질 내의 원자 또는 분자의 수를 계산하는 장비입니다.
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/mole 이 정의는 정확한 관계 N A = 6.022 140 76 x 10 23 mol^(–1)을 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 N A 에 따라 몰에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.  |
7. 칸델라 (cd) - 광도
칸델라는 540 × 10¹² Hz 주파수의 단색 방사선의 광속 효율(Kcd)을 683 lm·W-1로 정의한 값입니다. 이는 빛의 밝기를 측정하는 단위로, 특정 방향으로 방출되는 빛의 강도를 나타냅니다.
□ 칸델라의 역사적 정의 변화
- 초기 정의: 19세기에는 플레임 등의 기준을 사용하여 광도를 측정하였습니다. 그러나 이는 표준화가 어렵고 정확하지 않았습니다.
- 1948년: 플래티넘의 어는점에서 발생하는 복사체를 기준으로 광도가 정의되었습니다.
- 1979년 재정의: 현재의 칸델라 정의는 특정 주파수의 빛이 스테라디안 당 방출되는 에너지를 기준으로 하여, 더 높은 정확성을 제공하는 방식으로 변경되었습니다.
□ 칸델라의 실용적 사용
칸델라는 조명, 레이저, 디스플레이 등의 광원 밝기를 측정하는 데 사용됩니다. 특히 자동차 헤드라이트, 가로등, TV 및 컴퓨터 모니터의 광도 측정에서 필수적인 단위입니다.
□ 광도 측정 장비
- 광도계(Luxmeter 또는 Photometer): 광원의 강도를 측정하는 장비로, 다양한 산업과 실험에서 사용됩니다. 칸델라의 표준을 측정하는 데 광도계를 사용하며, 이 장비는 정밀한 광도 측정을 위한 중요한 도구입니다.
- 적분구(Integrating Sphere): 복잡한 광원의 전체 출력을 측정할 때 사용하는 장치로, 일정한 스테라디안 당 빛의 출력을 분석합니다.
※ 표준 장비: 광도표준기
사이트: https://www.kriss.re.kr/menu.es?mid=a10301030000
극저온 절대 복사계(absolute cryogenic radiometer)를 광도의 기본단위인 칸델라(candela, 기호 cd)의 원기로 사용
| https://www.bipm.org/en/si-base-units/candela 이 정의는 주파수 ν = 540 x 10^(12) Hz 의 단색 복사에 대해 정확한 관계 K cd = 683 cd sr kg^(–1) m^(–2) s^3 를 의미합니다. 이 관계를 역으로 하면 정의 상수 K cd , h 및 Δν Cs 에 따라 칸델라에 대한 정확한 표현이 제공됩니다.   |
국제단위계 SI의 역사
아래는 7개의 SI 기본 단위가 확립되기까지의 주요 역사를 연도별로 정리한 내용입니다.
1. 초 (second, s)
- 17세기: 1초는 처음으로 태양이 자오선을 통과하는 두 순간 사이의 시간(평균 태양일)을 86,400분의 1로 정의되었습니다.
- 1960년: 세슘 원자의 진동수를 기준으로 하는 정의가 논의되기 시작했습니다.
- 1967년: 현재의 정의인 "세슘-133 원자의 9,192,631,770회의 진동을 기준으로 1초를 정의"하는 방식이 국제적으로 채택되었습니다.
2. 미터 (meter, m)
- 1793년: 프랑스에서 지구 적도에서 극까지 거리의 1/10,000,000에 해당하는 길이로 미터가 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금 막대의 길이를 미터로 정의한 국제 미터원기가 도입되었습니다.
- 1960년: 크립톤-86 원자가 방출하는 특정 빛의 파장을 기준으로 미터가 다시 정의되었습니다.
- 1983년: 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 이동하는 거리를 기준으로 미터가 정의되었습니다.
3. 킬로그램 (kilogram, kg)
- 1795년: 1리터의 물의 질량으로 킬로그램이 처음 정의되었습니다.
- 1889년: 백금-이리듐 합금으로 만든 국제 킬로그램 원기를 기준으로 킬로그램이 재정의되었습니다.
- 2019년: 플랑크 상수의 고정된 값을 사용하여 킬로그램을 재정의하였습니다. 이를 통해 원기의 물리적 의존에서 벗어난 정의가 확립되었습니다.
4. 암페어 (ampere, A)
- 1820년: 안드레 마리 암페르가 전류에 대한 법칙을 처음으로 제안하였습니다.
- 1948년: 국제단위계(SI)에 따라 1암페어는 "진공 상태에서 1m 간격으로 놓인 두 평행 도체에 2 × 10⁻⁷ N의 힘을 발생시키는 전류"로 정의되었습니다.
- 2019년: 기본 전하(전자 1개당 전하)의 고정된 수치를 기준으로 암페어가 재정의되었습니다.
5. 켈빈 (kelvin, K)
- 1848년: 윌리엄 톰슨(켈빈 경)이 절대 온도 개념을 제시하며 켈빈 온도 단위의 기초를 마련하였습니다.
- 1954년: 삼중점에서 물의 온도를 273.16K로 정의하면서 켈빈이 공식 단위로 채택되었습니다.
- 2019년: 볼츠만 상수의 고정된 값을 사용하여 켈빈이 재정의되었습니다.
6. 몰 (mole, mol)
- 1865년: 독일의 화학자 아우구스트 카쿨레가 몰 개념을 처음으로 제안하였습니다.
- 1971년: 몰이 국제단위계에 공식적으로 포함되었으며, 1몰은 아보가드로 수(6.02214076 × 10²³)의 입자로 정의되었습니다.
- 2019년: 아보가드로 상수의 고정된 값을 사용하여 몰이 재정의되었습니다.
7. 칸델라 (candela, cd)
- 1909년: 국제 협약에 따라 촛불의 광도를 기준으로 한 단위로 칸델라가 도입되었습니다.
- 1948년: 칸델라는 "백금에서 방출되는 특정한 주파수의 빛"을 기준으로 정의되었습니다.
- 1979년: 현재의 정의인 "주파수 540 × 10¹² Hz에서 방출되는 빛의 광속 효율을 기준으로 1칸델라"로 재정의되었습니다.
파생 단위
파생 단위(Derived Units)란, SI 기본 단위를 조합하여 물리량을 표현하는 단위를 말합니다. 기본 단위는 질량, 길이, 시간, 전류 등의 독립적인 물리량을 측정하는데 사용되지만, 파생 단위는 여러 기본 단위를 조합하여 새로운 물리량을 측정합니다. 다음은 예시입니다.
♣ 속도는 길이(m)와 시간(s)을 조합하여 만들어지며, 단위는 m/s입니다.
♣ 힘은 질량(kg), 길이(m), 시간(s)을 조합하여 뉴턴(N)이라는 단위로 정의되며, 이는 kg·m/s²로 나타냅니다.
♣ 전력은 에너지(J)와 시간(s)의 조합으로 와트(W) 단위로 나타내며, 이는 J/s와 동일합니다.
파생 단위는 다양한 물리 현상을 측정하고 설명하기 위해 만들어졌으며, SI 기본 단위를 사용해 수학적 관계로 표현됩니다. SI 파생 단위는 물리학, 화학, 공학 등 여러 분야에서 사용됩니다. 다음은 파생단위 표입니다.
| 단위명 | 단위 | 기호 | 파생 단위 |
| 초 | second | s | Hz (hertz), W (watt), J (joule), N (newton), Pa (pascal), Gy (gray), Sv (sievert), Bq (becquerel) |
| 미터 | meter | m | N (newton), J (joule), Pa (pascal), Gy (gray), Sv (sievert), rad (radian) |
| 킬로그램 | kilogram | kg | N (newton), J (joule), Pa (pascal), Gy (gray), Sv (sievert) |
| 암페어 | ampere | A | C (coulomb), V (volt), Ω (ohm), S (siemens), Wb (weber), T (tesla), H (henry) |
| 켈빈 | kelvin | K | °C (degree Celsius) |
| 몰 | mole | mol | kat (katal) |
| 칸델라 | candela | cd | lm (lumen), lx (lux), sr (steradian) |
마무리
SI 단위는 과학과 기술에서 매우 중요한 역할을 하며, 일상 생활에서도 필수적인 역할을 합니다. 이 7가지 기본 단위는 전 세계에서 사용되는 측정의 기초를 제공하며, 각각의 정의는 최신 과학적 발견에 기반을 둔 매우 정확한 방법으로 설정되었습니다. 앞으로도 이 SI 단위 체계는 기술 발전에 맞춰 끊임없이 개정되고 발전해 나갈 것입니다.