광 주파수 빗 간섭계 기반…절대길이 측정 정밀도 대폭 향상

KRISS가 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도. ⓒ한국표준과학연구원

한국표준과학연구원(KRISS)은 양자물리학 이론이 제시하는 수준에 근접한 0.34nm 정밀도의 길이 측정 시스템을 개발했다고 4일 밝혔다.

높은 정밀도와 더불어 야외에서도 구동할 수 있을 만큼 간편하게 구성돼, 차세대 길이 측정 기술로 주목된다.

현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1m의 기준이 되는 ‘길이측정표준기’다. KRISS를 포함한 각국의 측정표준 대표기관이 운용하고 있으며, 단파장 레이저 간섭계를 이용해 1~10nm 수준의 정밀도로 길이를 측정한다.

다만 길이측정표준기는 한 번에 측정할 수 있는 길이가 제한적이다. 이는 단파장 레이저의 파장 범위(스펙트럼)가 좁기 때문으로, 긴 거리를 측정하려면 여러 구간으로 나눠 반복 측정하고 결과를 합산해야 한다. 측정 시간과 공간 활용 면에서 제약이 크고, 위치 이동에 따른 오차 가능성도 있다.

이와 달리 절대길이 측정 시스템은 상대적으로 긴 거리를 한 번에 측정할 수 있어 산업 현장에서 널리 활용된다. 기준점에서 대상까지 빛을 쏘고 되돌아오는 시간을 기반으로 거리를 산출하는 방식으로, 장비 소형화와 빠른 측정이 가능하다. 하지만 기존 시스템의 정밀도는 마이크로미터(㎛) 수준에 머물러 왔다. 이는 빛의 이동 시간을 극미세 간격으로 측정하는 데 기술적 한계가 있었기 때문이다.

KRISS 길이형상측정그룹은 이번에 ‘광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계’를 절대길이 측정 시스템에 적용해 정밀도를 대폭 향상시켰다.

광 주파수 빗은 일정한 간격의 수천 개 주파수로 구성된 빛의 다발로, 파장 범위가 넓으면서도 간격이 고르게 정돈돼 있어 긴 거리도 정밀하게 측정할 수 있다.

연구진이 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템은 기존 길이측정표준기의 정밀도와 절대길이 시스템의 실용성을 결합한 형태다.

정밀도는 0.34nm, 측정 속도는 25㎲로, 야외 환경에서도 활용 가능한 수준이다. 현재까지 보고된 절대길이 측정 시스템 가운데에서도 높은 성능을 구현한 사례로 평가된다.

KRISS는 이번 시스템을 차세대 길이측정표준기 후보로 등재하기 위해 측정 불확도 평가와 성능 개선 등 후속 연구를 진행 중이다.

장윤수 KRISS 선임연구원은 “AI 반도체, 양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 나노미터 단위의 거리 제어와 정밀 측정 능력에 달려 있다”며 “이번 성과는 우리나라가 차세대 길이 측정 기술에서 새로운 기준을 제시할 수 있는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.

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