세계 최초 기록 양자 수준 정확도의 길이 측정 기술 개발 성공
세계 최초 기록 양자 수준 정확도의 길이 측정 기술 개발 성공
세계 최초 기록 양자 수준 정확도의 길이 측정 기술 개발 성공
한국표준과학연구원(KRISS)은 4일, 양자물리학이 허용하는 최대 정밀도 수준에 도달한 길이 측정 시스템을 개발했다고 발표했다.
이 시스템은 세계 최고 수준의 정밀도를 유지하면서도 야외 환경에서 사용할 수 있을 만큼 간편해 앞으로 차세대 길이 측정의 기준으로 활용될 전망이다.
현재 가장 정밀한 길이 측정 장비로는 '길이측정표준기'가 있다.
이는 1미터(m)의 기준을 제공하는 장비로, KRISS를 포함한 각국의 측정표준 기관에서 운용되고 있다.
해당 장비는 두 개의 빛이 만날 때 발생하는 간섭 패턴을 활용하는 단파장 레이저 간섭계를 기반으로 작동한다.
단파장 레이저는 마치 자처럼 고르게 배열된 파장을 가지고 있어, 1~10㎚(나노미터, 10억분의 1미터) 수준의 정밀한 측정이 가능하다.
하지만 파장 범위가 좁아, 한 번에 측정할 수 있는 길이에 제한이 있다는 단점이 있다.
반면, 절대길이 측정 시스템은 긴 거리를 한 번에 측정할 수 있는 장점을 가진다.
빛의 펄스를 기준점에서 대상까지 쏘고, 되돌아오는 시간을 계산해 길이를 측정하는 방식으로 작동한다.
이 방식은 상대적으로 간단해 장비를 소형화할 수 있고, 빠르게 먼 거리까지 측정 가능하다는 점에서 산업 현장에서 다양하게 사용되고 있다.
그러나 기존 절대길이 측정 시스템의 한계는 정밀도가 ㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 수준이라는 점이었다.
KRISS의 길이형상측정그룹은 '광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계'를 활용해 기존 절대길이 측정 시스템의 정밀도를 길이측정표준기 수준으로 향상시키는 데 성공했다.
연구진은 절대길이 측정 시스템에 광 주파수 빗 간섭계를 적용하는 방식을 고안했다.
광 주파수 빗은 피아노 건반처럼 일정한 간격을 가진 수천 개의 주파수로 구성된 빛의 묶음이다.
일반적인 간섭계 광원과 달리, 광 주파수 빗은 넓은 파장 범위를 가지면서도 파장의 배열이 매우 일정하기 때문에 긴 거리도 정밀하게 측정할 수 있다.
연구진이 개발한 '광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템'은 길이측정표준기의 높은 정밀도와 절대길이 측정 시스템의 편리함을 모두 갖추고 있다.
이 시스템은 0.34㎚라는 정밀도를 자랑하며, 이는 현재 사용 가능한 장비 중 최고 수준으로
양자물리학의 이론적 한계에 도달한 것이다. 또한, 25㎲(마이크로초, 100만분의 1초)의 빠른 속도로 측정을 수행해
야외 환경에서도 구동 가능하여, 국내 첨단 산업현장에서 길이 측정의 정밀도를 더욱 높일 것으로 기대된다.
이번 시스템을 차세대 길이측정 표준으로 등재하기 위해 연구진은 장비의 측정 불확도를 평가하고 성능을 개선하는 후속 연구를 진행할 계획이다.
장윤수 KRISS 길이형상측정그룹 선임연구원은 “AI 반도체와 양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 ㎚ 단위
거리의 정확한 측정과 제어에 달려 있다”며 “이번 연구 성과는 한국이 차세대 길이 표준을 제시하는 선도국가로 자리 잡는 계기가 될 것”이라고 밝혔다.
해당 연구 결과는 국제 광학 학술지 레이저&포토닉스 리뷰(Laser & Photonics Review)에 지난 6월 게재됐다.
