우리가 사용하는 1kg은 어떻게 정해졌을까요? 지금은 어디에서 측정하든 같은 기준을 적용할 수 있지만, 과거에는 프랑스에 보관된 작은 금속 원통 하나가 전 세계 질량 측정의 기준이었습니다.

이 금속 원통은 국제 킬로그램 원기(International Prototype of the Kilogram, IPK)라고 불렸습니다. 1889년부터 2019년까지 약 130년 동안 1kg의 정의를 담당했지만, 지금은 그 역할을 하지 않습니다.

금속 원기에 문제가 생긴 걸까요? 그리고 오늘날의 1kg은 무엇을 기준으로 정할까요?

전 세계 1kg의 기준이었던 금속 원통

국제 킬로그램 원기는 백금 90%와 이리듐 10%로 만들어진 원통입니다. 높이와 지름은 각각 약 39mm로, 손바닥에 올릴 수 있을 만큼 작습니다.

이 원기는 프랑스 세브르에 위치한 국제도량형국(BIPM)에 보관되어 왔습니다. 1889년 제1차 국제도량형총회에서 국제 질량 표준으로 승인된 이후, 원기의 질량 자체가 정확히 1kg을 정의했습니다.

각국의 국가측정표준기관은 자체적으로 보유한 질량 표준을 국제 기준과 연결해 측정의 일관성을 유지했습니다. 우리가 사용하는 저울도 여러 단계의 교정 체계를 거슬러 올라가면 이러한 국제 표준과 연결됩니다.

문제는 이 체계의 출발점이 세상에 단 하나뿐인 물체였다는 점입니다.

금속 원기를 기준으로 삼으면 어떤 문제가 생길까?

금속은 안정적인 재료이지만, 영원히 변하지 않는 것은 아닙니다.

표면에 미세한 오염물이 붙거나 세척 과정에서 물질이 제거될 수 있습니다. 보관 상태와 취급 과정도 극도로 정밀한 질량 비교에서는 고려해야 할 요소입니다.

국제 킬로그램 원기와 여러 복제품을 비교하는 과정에서는 시간이 지나면서 질량에 상대적인 차이가 나타났습니다.

여기서 중요한 문제가 발생합니다.

만약 국제 원기와 복제품의 질량이 달라졌다면, 어느 쪽이 변한 것일까요?

국제 원기 자체가 1kg의 정의였기 때문에 다른 표준과 차이가 발견되더라도 원기의 절대적인 변화를 독립적으로 판단하기 어려웠습니다.

또한 각국이 원기와 비교하기 위해서는 복잡한 국제 교정 절차가 필요했습니다. 하나의 물체에 의존하는 정의는 장기적인 안정성과 접근성 측면에서 한계가 있었던 것입니다.

2019년, 1kg의 정의가 바뀌었다

2018년 11월 16일, 제26차 국제도량형총회에서는 킬로그램을 비롯한 여러 국제단위계 기본단위의 정의를 개정하기로 결정했습니다.

새로운 정의는 2019년 5월 20일부터 적용되었습니다.

가장 큰 변화는 1kg을 특정 물체의 질량이 아니라 플랑크 상수(Planck constant)라는 자연 상수를 기준으로 정의하게 된 것입니다.

플랑크 상수는 양자역학에서 에너지와 주파수의 관계를 설명하는 기본 상수입니다. 국제단위계는 이 상수의 값을 정확히 다음과 같이 고정했습니다.

h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s

여기서 J·s는 줄·초를 뜻하며, 기본단위로 표현하면 kg·m²/s와 같습니다.

이미 정의된 미터와 초를 이용하면 플랑크 상수의 고정된 값으로부터 킬로그램을 정의할 수 있습니다.

이 방식의 핵심은 1kg의 기준이 특정 금속 물체의 상태에 좌우되지 않는다는 점입니다.

실제로 1kg을 어떻게 측정할까?

자연 상수로 단위를 정의했다고 해서 플랑크 상수를 저울 위에 올려놓을 수 있는 것은 아닙니다.

추상적인 정의를 실제 질량 측정으로 연결하는 정밀한 장비와 실험 방법이 필요합니다.

대표적인 장비가 키블 저울(Kibble balance)입니다.

키블 저울은 기계적인 힘과 전기적인 측정값을 연결하는 장비입니다. 정밀한 전기 표준과 물리 법칙을 이용해 질량을 플랑크 상수에 연결할 수 있습니다.

또 다른 방법으로는 고순도 실리콘 결정의 원자 배열과 부피 등을 활용하는 X선 결정 밀도 측정법(XRCD)이 있습니다.

두 방법은 작동 원리가 다르지만, 특정 금속 원기 하나에 의존하지 않고 질량의 국제 기준을 구현한다는 공통점이 있습니다.

물론 일반 가정이나 상점에서 이러한 장비를 직접 사용하는 것은 아닙니다. 국가측정표준기관과 전문 교정기관이 정밀 측정 체계를 유지하고, 이를 통해 일상적인 저울의 측정값도 국제단위계와 연결됩니다.

과거와 현재의 킬로그램 정의 비교

구분	과거	현재
적용 시기	1889년~2019년	2019년 5월 20일부터
정의 기준	국제 킬로그램 원기	플랑크 상수의 고정된 값
기준의 형태	특정 금속 원통	자연의 기본 상수
주요 한계·과제	물체의 안정성 및 접근성	고난도 정밀 측정 기술 필요
실제 측정	질량 표준 간 비교	키블 저울 등으로 정의 구현 및 표준 보급

새로운 정의가 도입됐다고 해서 기존 저울의 1kg이 갑자기 달라진 것은 아닙니다. 단위의 연속성을 유지하도록 재정의가 이루어졌기 때문입니다.

변한 것은 일상에서 사용하는 질량의 크기가 아니라, 그 질량을 정의하고 실현하는 과학적 방법입니다.

국제 킬로그램 원기는 지금 어디에 있을까?

국제 킬로그램 원기는 폐기되지 않았습니다.

국제도량형국은 현재도 이 원기를 보존하고 있습니다. 다만 2019년 이후에는 더 이상 킬로그램을 정의하는 절대 기준으로 사용하지 않습니다.

과거에는 하나의 금속 원통이 전 세계 질량 측정의 출발점이었다면, 오늘날에는 자연 상수와 정밀 측정 기술을 통해 국제적으로 일관된 기준을 구현하고 있습니다.

이 변화는 단순히 오래된 표준을 새로운 장비로 교체한 사건이 아닙니다. 인간이 만든 물체에 의존하던 측정 체계가 자연의 보편적인 법칙을 기반으로 발전했다는 점에서 의미가 있습니다.

참고 자료

1. 국제도량형국(BIPM), International Prototype of the Kilogram
   BIPM 공식 자료 보기
2. 국제도량형국(BIPM), SI Base Unit: Kilogram
   BIPM 킬로그램 정의 보기
3. 국제도량형국(BIPM), Kilogram Realization
   BIPM 질량 표준 구현 자료
4. 미국 국립표준기술연구소(NIST), Kilogram: Introduction
   NIST 공식 자료 보기
5. 미국 국립표준기술연구소(NIST), Kilogram: The Future
   NIST 킬로그램 재정의 자료