한국표준과학연구원(KRISS)이 양자물리학이 허용하는 한계 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발하는 데 성공했다. 세계 최고 수준의 정밀도를 갖추면서 야외 환경에서 구동할 수 있을 정도로 간편해 차세대 길이 측정의 ‘기준’으로 활용될 전망이다.
현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1m의 기준이 되는 ‘길이측정표준기’이다. KRISS를 비롯한 세계 각국의 측정표준 대표기관이 운용하고 있는 길이측정표준기는 단파장 레이저 간섭계(Interferometer)를 이용해 길이를 측정한다. 단파장 레이저는 눈금이 촘촘한 자처럼 파장이 매우 고르게 분포돼있어 1~10㎚(10억 분의 1 m) 수준의 정밀한 측정이 가능하다.
하지만 길이측정표준기는 한 번에 측정할 수 있는 길이가 매우 제한적이다. 단파장 레이저의 파장 범위(스펙트럼)가 좁기 때문이다. 눈금은 촘촘하지만 길이 자체는 짧은 자인 셈이다. 레이저의 파장 범위를 넘어서는 길이를 재려면 여러 번 측정을 반복하고 측정값을 합산해야 한다. 따라서 측정시간이 오래 걸리고, 간섭계의 위치를 안정적으로 옮기는 장치가 필요해 시간·공간적 제약이 크다.
이에 비해 절대길이 측정 시스템은 정밀도는 떨어지지만 긴 거리를 한 번에 측정하는 장비다. 주로 기준점에서 측정 대상을 향해 빛(펄스)을 쏘고 되돌아오는 시간을 산출해 길이를 측정한다. 측정방식이 비교적 간단해 장비의 소형화가 가능하고 먼 거리도 빠르게 잴 수 있어 대부분의 산업 현장에서 활용된다. 다만 기존 절대길이 측정 시스템의 측정 정밀도는 마이크로미터(㎛·100만 분의 1 m) 수준이 한계였다. 빛이 이동하는 시간을 일정 이상의 극미세한 간격으로 측정하는 것이 현재 기술로는 매우 어렵기 때문이다.
KRISS 길이형상측정그룹은 ‘광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계’를 이용해 절대길이 측정 시스템의 정밀도를 길이측정표준기 수준으로 높이는 데 성공했다. 연구진은 절대길이 측정 시스템에 광 주파수 빗 간섭계를 적용하는 방식을 고안했다. 광 주파수 빗은 피아노 건반처럼 일정한 간격을 갖는 수천 개의 주파수로 구성된 빛의 다발이다. 기존 간섭계의 광원들과 달리 광 주파수 빗은 파장 범위가 넓으면서도 파장의 배열은 매우 일정한 간격으로 정돈되어있어 긴 거리도 한 번에, 정밀하게 측정할 수 있다.
연구진이 개발한 ‘광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템’은 길이측정표준기의 정밀도와 절대길이 측정 시스템의 간편함을 고루 갖췄다. 시스템의 정밀도는 0. 34㎚로 현존 장비 중 최고 수준이자 양자물리학에서 도달 가능한 한계 수준이다. 측정 속도는 25마이크로초(μs, 100만 분의 1초)로 야외 환경에서 구동할 수 있을 만큼 빠르고 간편해 국내 첨단 산업 현장의 길이 측정 정밀도를 한층 높일 것으로 기대된다.
연구진은 이번에 개발한 시스템을 차세대 길이측정표준기로 등재할 수 있도록 장비의 측정 불확도를 평가하고 성능을 지속 개선하는 등 후속 연구를 이어갈 예정이다.
KRISS 길이형상측정그룹 장윤수 선임연구원은 “AI반도체·양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 나노미터 단위의 거리를 정확히 측정하고 제어할 수 있는지에 달렸다”며 “이번 성과는 우리나라가 차세대 길이표준을 제시하는 선도국으로 자리매김하는 계기가 될 것”이라고 말했다.
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