표준연, 4만분의 1초에 0.34나노미터 측정 성공…현존 장비 구현 세계 최고 수준

(지디넷코리아=박희범 기자)양자 한계 정밀도를 가진, 현존 장비로는 최고 수준의 길이 측정 시스템이 개발됐다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 길이형상측정그룹이 양자물리학이 허용하는 한계 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

야외 환경에서 구동할 수 있을 정도로 이용이 간편, 차세대 길이 측정 ‘기준’으로 활용될 가능성이 크다는 것이 연구진 설명이다.

한국표준과학연구원 길이형상측정그룹 연구팀이 세계 최고 수준의 길이측정 시스템을 개발했다. 왼쪽에서 세번째가 연구책임자인 장윤수 선임연구원.(사진=KRISS)

현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1미터(m)의 기준이 되는 ‘길이측정표준기’이다. 이는 단파장 레이저 간섭계를 이용해 길이를 측정한다. 1~10나노미터(㎚, 10억 분의 1 m) 수준의 정밀한 측정이 가능하다.

다만, 이 측정기는 단파장 레이저 파장 범위가 좁아 한 번에 측정할 수 있는 길이가 매우 제한적이다.

연구팀은 ‘광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계’를 이용해 절대길이 측정 시스템의 정밀도를 길이측정표준기 수준으로 높이는 데 성공했다.

연구팀은 이를 위해 절대길이 측정 시스템에 광 주파수 빗 간섭계를 적용하는 방식을 새로 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.

이번에 개발한 ‘광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템’은 길이측정표준기의 정밀도와 절대길이 측정 시스템의 간편함을 고루 갖췄다.

시스템 정밀도는 0. 34나노미터로, 현존 장비 중 최고 수준이자 양자물리학에서 도달 가능한 한계 수준이다. 측정 속도는 4만분의 1초인 25마이크로초(μs, 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.

KRISS가 개발한 광 주파수 빛 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도.(사진=KRISS)

KRISS 길이형상측정그룹 장윤수 선임연구원은 “AI반도체·양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 나노미터 단위의 거리를 정확히 측정하고 제어할 수 있는지에 달렸다”라며 “이번 성과는 우리나라가 차세대 길이표준을 제시하는 선도국으로 자리매김하는 계기가 될 것”라고 말했다.

연구성과는 KRISS 기본사업의 지원을 받았으며 광학 분야의 세계적 학술지인 레이저앤포토닉스 리뷰(Laser&Photonics Review)에 게재됐다.

세계 각국의 절대길이 측정 시스템과의 측정 결과 비교표.(자료=KRISS)

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)

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