[생활속 과학이야기] 광도 측정의 현재와 미래

임선도 한국표준과학연구원 광도측정그룹장

2025년은 '미터협약(Metre Convention)'의 150주년을 맞이하는 뜻깊은 해다. 미터협약은 전 세계적으로 통일된 측정표준 체계를 구축하고자 1875년 체결된 국제협약으로, 현대 과학과 기술, 산업, 의료 등 모든 분야의 기반이 되는 국제단위계(SI)의 토대를 마련했다.

또한 올해는 대한민국의 측정표준을 책임지고 있는 한국표준과학연구원(KRISS)이 창립 50주년을 맞이하는 해이기도 하다. KRISS는 국가 측정표준 대표기관으로 설립부터 지금까지 우리나라의 측정표준 시스템을 구축하고 국제 표준과의 정합성을 확보하기 위해 노력해 왔다.

국제단위계는 가장 기본이 되는 측정 단위 7개를 '기본 단위'로 정의한다. 그중 하나가 빛의 강도를 측정하는 단위인 칸델라(cd, Candela)다. 현재 칸델라는 '555 나노미터 파장(녹색광)에서 단위 입체각(1 스테라디안)으로 방출되는 광원으로, 광속 1/683 와트를 방출하는 빛의 강도'로 정의한다.

이는 1979년 국제도량형총회(CGPM)에서 정의한 것으로, 그 이전인 1948년에는 '백금의 응고점(2042 K)에서 1 제곱센티미터 면적에서 방출되는 복사 강도를 기준'으로 정의했다. 그보다 옛날에는 '고래기름 램프 빛의 강도'를 기준으로 정의하기도 했다.

칸델라는 인간의 시각적 경험과 밀접하게 연관된 단위다. 인간의 눈이 가장 민감하게 반응하는 555 나노미터 파장의 빛을 기준으로 정의되며, 이는 빛의 물리적 속성과 인간 생리적 반응의 조화를 고려한 것이다. 2018년 SI 기본 단위 재정의는 주로 양자역학적 상수(플랑크 상수, 볼츠만 상수 등)를 활용하여 단위의 정의를 변경하는 데 초점이 맞춰져 있었지만, 칸델라는 이미 실질적이고 정확하며 실용적인 기준을 제공하고 있었기에 기존 정의가 유지됐다.

그렇다고 칸델라의 재정의와 관련된 논의가 완전히 멈춘 것은 아니다. 지금도 더 정확한 정의를 위해 많은 과학자가 노력하고 있다. 특히 광자 수 기반의 칸델라(Photon-based Candela) 연구가 대표적이다. 이 연구는 빛의 본질을 양자적 관점에서 이해하고 이를 기반으로 광도 단위를 더 정밀하고 보편적으로 정의하려는 노력이자, 현대 양자광학과 측정과학의 발전과 맞물린 연구이다. 현재의 칸델라 정의는 인간의 시각 감응을 바탕으로 실용적 장점을 갖지만, 광자 기반 정의는 광자를 계수해 물리적인 양으로 표현함으로써 양자광학과 같은 첨단 기술 분야의 요구를 더 충족할 수 있다는 강점이 있다.

KRISS 광도측정그룹도 칸델라의 재정의와 광 분야의 첨단 측정 기술 개발을 위해 연구하고 있다. KRISS는 국제도량형위원회(CIPM) 산하 광도복사도 자문위원회(CCPR)의 광자계수측정학 워킹그룹(Few Photon Metrology WG)에서 초대 의장을 맡아 세계적인 광자 기반 칸델라 연구를 주도하고 있다. 또한 단일광자 검출기 평가기술을 바탕으로 한 양자암호통신(QKD) 장치 성능 평가 기술의 상용화를 목전에 두고 있으며, 창업 기업 Qrad를 설립해 산업화에도 기여하고 있다.

미터협약 150주년을 맞이하는 올해, 광도 측정을 포함한 측정표준의 중요성은 다시금 강조되고 있다. 빛의 세계를 정밀하게 측정하는 KRISS 광도측정그룹의 노력이 관련 산업과 과학기술의 발전을 이끄는 횃불이 되길 기대해 본다. 임선도 한국표준과학연구원 광도측정그룹장