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KRISS가 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도. KRISS 제공.

한국표준과학연구원(KRISS) 연구진이 양자물리학이 허용하는 한계 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발하는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 예전에는 길이가 짧고 정밀한 자 혹은 길고 정밀도가 떨어지는 자만 있었다면, 이번에는 길고 정밀한 측정이 가능한 자를 만든 것이다. 측정의 편리함과 안정성을 높인 것으로 첨단산업과 기술혁신에 큰 도움이 될 것으로 전망된다.

현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1m의 기준이 되는 '길이측정표준기'다. KRISS를 비롯한 세계 각국의 측정표준 대표기관이 운용하고 있다. 단파장 레이저 간섭계(두 빛이 만날 때 발생하는 간섭 패턴 측정)를 이용해 길이를 측정한다. 단파장 레이저는 눈금이 촘촘한 자처럼 파장이 매우 고르게 분포돼 있어 1-10나노미터(nm, 10억 분의 1m) 수준의 정밀한 측정이 가능하다.

하지만 파장 범위가 좁아 한 번에 측정할 수 있는 길이가 매우 제한적이다. 레이저의 파장 범위를 재려면 여러 번 측정을 반복해서 측정값을 합산해야 한다. 측정시간이 오래 걸리고, 간섭계의 위치를 안정적으로 옮기는 장치가 필요해 제약이 있다.

정밀도는 떨어지지만 긴 거리를 한 번에 측정하는 '절대길이 측정 시스템'도 있다. 기준점에서 측정 대상을 향해 빛을 쏘고 되돌아오는 시간을 산출해 길이를 측정한다. 긴 거리를 한 번에 측정할 수 있다는 편리함 덕분에 대부분의 산업 현장에서 활용된다. 다만 길이측정표준기보다 상대적으로 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 

KRISS 길이형상측정그룹 연구진은 '광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계'를 이용해 기존 두 측정 시스템의 한계를 극복했다. 파장 범위가 넓으면서도 한 번에 정밀하게 측정할 수 있는 시스템 '광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템'을 개발한 것이다.

시스템의 정밀도는 0.34나노미터로, 현존 장비 중 최고 수준이자 양자물리학에서 도달가능한 한계 수준이다. 측정 속도는 25마이크로초(μs, 100만 분의 1초)로 야외 환경에서 구동할 수 있을 정도로 빠르고 간편하다. 첨단 산업 현장의 길이 측정 정밀도를 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 이번에 개발한 시스템을 차세대 길이측정표준기로 등재할 수 있도록 후속 연구를 이어갈 예정이다. 장윤수 KRISS 길이형상측정그룹 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.

이번 연구성과는 KRISS 기본사업의 지원을 받았으며 광학 분야의 세계적 학술지인 레이저광자리뷰(Laser&Photonics Review)에 6월 게재됐다.

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]

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