- 4만분의 1초 만에 0.34 나노미터 측정하는 초고속·초정밀 절대길이 측정 시스템 개발 -

- 측정 전용 시설 필요 없이 간편하고 정밀도는 세계 최고 수준… 차세대 ‘길이표준’ 선도 기대 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 양자물리학이 허용하는 한계 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발하는 데 성공했다. 세계 최고 수준의 정밀도를 갖추면서 야외 환경에서 구동할 수 있을 정도로 간편해, 차세대 길이 측정의 ‘기준’으로 활용될 전망이다.

▲ KRISS가 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도

현재 가장 정확한 길이 측정 장비는 1미터(m)의 기준이 되는 ‘길이측정표준기’이다. KRISS를 비롯한 세계 각국의 측정표준 대표기관이 운용하고 있는 길이측정표준기는 단파장 레이저 간섭계*를 이용해 길이를 측정한다. 단파장 레이저는 눈금이 촘촘한 자처럼 파장이 매우 고르게 분포돼있어 1~10나노미터(㎚, 10억 분의 1 m) 수준의 정밀한 측정이 가능하다.

 

* 간섭계(Interferometer): 두 빛이 만날 때 발생하는 간섭 패턴, 즉 두 빛 경로의 상대적인 변화를 분석해 목표 대상의 거리나 변위를 정밀하게 측정하는 장치

 

하지만 길이측정표준기는 한 번에 측정할 수 있는 길이가 매우 제한적이다. 단파장 레이저의 파장 범위(스펙트럼)가 좁기 때문이다. 눈금은 촘촘하지만 길이 자체는 짧은 자인 셈이다. 레이저의 파장 범위를 넘어서는 길이를 재려면 여러 번 측정을 반복하고 측정값을 합산해야 한다. 따라서 측정시간이 오래 걸리고, 간섭계의 위치를 안정적으로 옮기는 장치가 필요해 시간·공간적 제약이 크다.

 

이에 비해 절대길이 측정 시스템은 정밀도는 떨어지지만 긴 거리를 한 번에 측정하는 장비다. 주로 기준점에서 측정 대상을 향해 빛(펄스)을 쏘고 되돌아오는 시간을 산출해 길이를 측정한다. 측정방식이 비교적 간단해 장비의 소형화가 가능하고 먼 거리도 빠르게 잴 수 있어 대부분의 산업 현장에서 활용된다. 다만 기존 절대길이 측정 시스템의 측정 정밀도는 마이크로미터(㎛, 100만 분의 1 m) 수준이 한계였다. 빛이 이동하는 시간을 일정 이상의 극미세한 간격으로 측정하는 것이 현재 기술로는 매우 어렵기 때문이다.

▲ KRISS가 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템의 측정 원리

 

KRISS 길이형상측정그룹은 ‘광 주파수 빗(Optical Frequency Comb) 간섭계’를 이용해 절대길이 측정 시스템의 정밀도를 길이측정표준기 수준으로 높이는 데 성공했다. 연구진은 절대길이 측정 시스템에 광 주파수 빗 간섭계를 적용하는 방식을 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 정돈되어있어 긴 거리도 한 번에, 정밀하게 측정할 수 있다.

▲ KRISS가 개발한 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템의 측정 결과값

 

▲ 세계 각국의 절대길이 측정 시스템과의 측정 결과 비교표

 

연구진이 개발한 ‘광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템’은 길이측정표준기의 정밀도와 절대길이 측정 시스템의 간편함을 고루 갖췄다. 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 간편해 국내 첨단 산업 현장의 길이 측정 정밀도를 한층 높일 것으로 기대된다.

▲ KRISS 장윤수 선임연구원이 광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템을 통해 거리를 측정하고 있다.

▲ KRISS 장윤수 선임연구원과 김대희 선임연구원이 자체 개발한 전광 변조 광 주파수 빗 레이저를 점검하고 있다.

 

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

 

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.

▲ KRISS 길이형상측정그룹

(좌측부터 온윤권 학생연구원, 김대희 선임연구원, 장윤수 선임연구원, 엄성훈 선임기술원)

 

이번 연구성과는 KRISS 기본사업의 지원을 받았으며 광학 분야의 세계적 학술지인 Laser&Photonics Review(IF: 10.0)에 6월 게재됐다.