표준연, 초고속·초정밀 절대길이 측정 시스템 개발

4만분의 1초 만에 0.34나노미터까지 측정… 차세대 '길이표준' 선도 기대

한국표준과학연구원이 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도. 한국표준과학연구원 제공

한국표준과학연구원이 양자물리학 한계 수준의 정밀도를 갖춘 길이 측정 시스템을 개발했다고 6일 밝혔다. 세계 최고 수준의 정밀도를 갖추면서 야외에서 구동할 정도로 간편해 차세대 길이 측정 '표준'을 선도할 것으로 기대된다.

현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1m의 기준이 되는 길이측정표준기다

세계 각국의 측정표준 대표기관이 운용 중인 길이측정표준기는 단파장 레이저 간섭계를 이용해 길이를 1-10나노미터(㎚, 10억 분의 1m) 수준까지 정밀하게 측정하지만 한 번에 측정할 수 있는 길이의 제한으로 긴 거리를 측정하기 어렵다.

반면 절대길이 측정 시스템은 정밀도는 떨어지지만 긴 거리를 한 번에 측정할 수 있다. 기준점에서 측정 대상을 향해 빛을 쏘고 되돌아오는 시간을 산출해 길이를 측정하는 방식으로 장비의 소형화가 가능하고 먼 거리도 빠르게 잴 수 있지만, 정밀도는 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1m) 수준이다.

표준연 길이형상측정그룹 연구진은 길이측정표준기의 정밀도와 절대길이 측정 시스템의 간편함을 고루 갖춘 '광 주파수 빗 분광계 기반 절대길이 측정시스템'을 개발했다.

시스템의 정밀도는 0.34나노미터로, 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 간편하다 한층 높일 것으로 예상된다.

연구진은 이번에 개발한 시스템을 차세대 길이측정표준기로 등재할 수 있도록 장비의 측정 불확도를 평가하고 성능을 지속 개선하는 등 후속 연구를 이어가기로 했다.

장윤수 표준연 선임연구원은 "AI반도체·양자기술 등 미래산업의 경쟁력은 나노미터 단위의 거리를 정확히 측정하고 제어할 수 있는지에 달렸다"며 "이번 성과는 우리나라가 차세대 길이표준을 제시하는 선도국으로 자리매김하는 계기가 될 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구성과는 세계적인 광학분야 학술지인 레이저앤포토닉스리뷰에 지난 6월 게재됐다.