양자물리 한계 수준까지…세계 최고 수준의 길이 측정 시스템 개발

표준연, 초고속·초정밀 절대길이 측정 시스템 개발

한국표준과학연구원(KRISS)이 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도./KRISS

한국표준과학연구원(KRISS)이 양자물리학이 허용하는 한계 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발했다고 4일 밝혔다. 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 1미터(m)의 기준이 되는 ‘길이측정표준기’이다. KRISS를 비롯한 세계 각국의 측정표준 대표기관이 운용하는 길이측정표준기는 두 빛이 만날 때 발생하는 간섭 패턴을 이용한 단파장 레이저 간섭계를 이용해 길이를 측정한다. 단파장 레이저는 눈금이 촘촘한 자처럼 파장이 매우 고르게 분포돼 있어 1~10㎚(나노미터, 10억 분의 1m) 수준의 정밀한 측정이 가능하다. 하지만 단파장 레이저의 파장 범위가 좁아 한 번에 측정할 수 있는 길이가 매우 제한적이다.

이에 비해 절대길이 측정 시스템은 정밀도는 떨어지지만 긴 거리를 한 번에 측정한다. 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 1m) 수준이 한계였다.

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 정돈되어 있어 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 도달할 수 있는 한계 수준이다. 측정 속도는 25㎲(마이크로초, 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.

장윤수 길이형상측정그룹 선임연구원은 “인공지능(AI)반도체·양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 ㎚ 단위의 거리를 정확히 측정하고 제어할 수 있는지에 달렸다”며 “이번 성과는 한국이 차세대 길이 표준을 제시하는 선도국으로 자리매김하는 계기가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 광학 분야의 국제 학술지 ‘레이저&포토닉스 리뷰(Laser&Photonics Review)’에 지난 6월 게재됐다.

참고 자료

Laser&Photonics Review(2025), DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202401995

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