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국내 연구팀이 4만분의 1초 만에 머리카락보다 얇은 길이를 측정하는 초고속·초정밀 '절대길이 측정 시스템'을 개발했다.
한국표준과학연구원(이하 표준연)은 물리측정본부 길이형상측정그룹 연구팀이 세계 최고 수준의 정밀도를 갖는 길이 측정 시스템을 개발했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '레이저·포토닉스 리뷰'에 지난달 게재됐다.
현존하는 길이 측정 장비 중 "가장 정확하다"고 평가받는 건 1미터(m)의 기준이 되는 '길이측정표준기'다. 길이측정표준기는 단파장오리자날 양귀비
레이저 간섭계를 이용해 길이를 측정한다. 빛의 파장이 촘촘한 눈금처럼 고르게 분포돼 있어 1~10나노미터(nm·10억분의 1m)까지 정밀하게 측정할 수 있다. 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준이다.
하지만 한 번에 측정할 수 있는 길이는 매우 제한적이다. 단파장 레이저의 파장 범위(스펙트럼)가 좁기 때문이다. 단위는 촘촘하지만, 길이주식매매타이밍
가 짧은 자와 같다. 파장 범위를 넘어서는 길이를 재려면 여러 번 측정을 반복하고 측정값을 합산해야 한다. 이 때문에 측정 시간이 오래 걸리는 데다 간섭계의 위치를 안정적으로 옮겨야 해서 시간·공간적 제약도 크다.
반면 '절대길이 측정 시스템'은 긴 거리를 한 번에 측정할 수 있다. 기준점에서 측정 대상을 향해 빛(펄스)을 쏘고 되돌아오웅진씽크빅 주식
는 시간을 산출해 길이를 잰다. 다만 정밀도는 길이측정표준기에 비해 떨어진다. 절대길이 측정 시스템은 마이크로미터(㎛·100만분의 1 m) 수준이 한계다. 현재 기술로는 빛의 이동 시간을 극미세한 간격으로 측정하는 게 어렵기 때문이다.



표준연이 개발한 광 주파수 빗 분광 체리마스터 다운
간섭계 기반 절대길이 측정 시스템 모식도 /사진=한국표준과학연구원


표준연 길이형상측정그룹은 절대길이 측정 시스템의 장점을 유지하면서도 정밀도를 높인 새로운 측정 시스템을 개발했다.
연구팀은 '광 주파수 빗(Comb) 간섭계'를 이용했다. 광 주파수 빗은 피아노 건반처럼 일정한 간격릴게임꽁머니
을 갖는 수천 개의 주파수로 구성된 빛의 다발이다. 파장 범위가 넓으면서도 파장의 배열은 매우 일정해, 긴 거리도 정밀하게 측정할 수 있다.
이른바 '광 주파수 빗 분광 간섭계 기반 절대길이 측정 시스템'의 정밀도는 0.34nm다. 설명에 따르면 이는 현존하는 측정 장비 중 가장 높은 정밀도이자 양자물리학이 도달할 수 있는 한계에 해당한다. 측정 속도는 25마이크로초(4만분의 1초·1마이크로초는 100만 분의 1초)로 야외 환경에서 구동할 수 있을 정도로 빠르다.
장윤수 선임연구원은 "AI 반도체, 양자기술 등 미래 산업의 경쟁력은 나노미터 단위의 거리를 정확히 측정하고 제어할 수 있는지에 달렸다"며 "이번 성과를 통해 우리나라가 차세대 길이 표준을 제시하는 선도국이 될 수 있을 것"이라고 했다.
연구팀은 이번 시스템의 측정 성능을 평가하고 개선해 차세대 길이측정표준기로 등재할 계획이다.
이번 연구는 표준연 기본사업의 지원으로 수행됐다.
박건희 기자 wissen@mt.co.kr