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4세대 방사광 가속기 꿈 ‘X-선 레이저’발생 성공

신약개발, 인공광합성, 단원자 트랜지스터 등 새로운 영역 개척 기대

[산업일보]
3세대 방사광은 전자를 빛의 속도로 가속하고, 가속된 전자의 방향을 바꿔서 발생하는 강한 X-선(병원 X-선의 100만배, 햇빛의 100억배)을 의미한다면, 4세대 방사광(X-선 레이저)은 3세대 방사광(X-선)과 전자들의 궤도와 주기가 정확히 일치해 레이저로 증폭, 3세대 보다 1억배 밝은 빛을 발생시킨다.

4세대 방사광 가속기 꿈 ‘X-선 레이저’발생 성공
<이미지 사진>


한국이 미국, 일본에 이어 세계 3번째로 최첨단 4세대 방사광가속기의 꿈의 빛인 X-선 자유전자 레이저 발생에 성공했다.

미래창조과학부(장관 최양희)와 포항공대(총장 김도연)는 포항 4세대 방사광가속기가 시운전 착수 불과 2개월 만에 0.5nm 파장의 X-선 자유전자 레이저 발생에 성공했다고 29일 밝혔다.

미래부는 2011년부터 지난해 말까지 총사업비 4천298억 원을 투입해 포항공대에 4세대 방사광가속기를 건설하고, 방사선발생장치 사용허가(4.12, 원안위)에 따라 4월 14일부터 종합 시운전을 해 왔다.

지난 14일 새벽, 최초의 X-선 레이저가 관측됐으며, 외부 전문가검증위원회(위원장 권면 등 7인)가 29일 현장을 방문해, X-선 레이저의 에너지 스펙트럼, 파장, 펄스 등 기본성능을 검증함으로써, 4세대 방사광가속기의 모든 장치가 성공적으로 정상 작동함을 공식확인했다.

시운전 시작 후 자유전자레이저 발생까지 미국(LCLS)은 2년, 일본(SACLA)은 4개월이 걸렸으나, 포항 4세대 방사광 가속기(PAL-XFEL)는 불과 2개월 만에 성공했다.

전자를 빛의 속도로 가속하고, 언듈레이터(150m)에서 진행방향을 주기적으로 바꾸어서 강한 X-선을 발생시키는데, 이때 함께 진행하는 전자들과 X-선의 궤도와 파장이 0.005nm 오차 이하로 정확하게 일치해야만 X-선 자유전자레이저(병원 X-선의 100조배)로 증폭된다.

검증위원회 권면 위원장은 이처럼 짧은 시간에 극한의 정밀도를 요하는 0.5nm X-선 레이저 발생에 성공한 것으로 보아, 에너지를 서서히 올려가면서 최적화하는 2차 시운전을 잘 진행 한다면, 올해 말까지는 최종 목표하는 10GeV/0.1nm 파장 X-선 레이저 달성이 무난할 것으로 전망했다.

X-선 자유전자레이저는 기존 3세대방사광 보다 1억배(햇빛의 100경배) 밝아서 물질의 미세구조를 나노단위까지 관측할 수 있고, 3세대 보다 1/1,000 짧은 펄스폭(20펨토초)으로 물질의 현상을 펨토초(10-15) 시간 단위까지 분석이 가능하다.

단분자 단백질이나 살아있는 세포의 움직임을 실시간으로 분석할 수 있게 돼 획기적인 신약개발에 활용되고, 신물질․신소재 분석을 통한 원천기술 확보와 IT·반도체 소자산업, 의료분야 등 다양한 산업발전에 활용될 것으로 보인다.

미래부와 포항공대는 국제수준의 성능검증을 위해, 국내 연구진을 중심으로 해외 유수 연구자가 참여하는 X-선레이저 활용 데모실험을 12월에 실시하고, 내년부터 이용자 실험지원에 착수할 예정이다.

또한, 우수한 성과를 조기에 창출하기 위해 중점 활용분야를 도출해 새로운 연구를 선도하는 탁월한 소수과제와 해외석학과의 공동연구 등에 4세대 가속기를 전략적으로 활용할 계획이다.

계획대로라면 내년부터 국내 연구자들이 극미세 공간에서 펨토초에 일어나는 세포활동, 단백질 구조변화, 화학촉매 반응 등을 실시간 관측하는 것이 가능해져, 우리나라가 새로운 과학기술 탐구영역을 선도적으로 개척할 수 있을 것으로 전망된다.

4세대 방사광가속기가 가져올 파급효과는 얼마나 될까.

3세대로는 분석이 안 되는 질환 단백질의 구조를 분석, 이를 억제/저해하는 신약 개발이 가능해진다는 데 있다.

현재, 해석된 단백질의 구조는 5%에 불과(95%가 분석되지 못함)하다.

에너지 효율 100%인 광합성 현상을 분석, 인공 광합성을 통해 친환경 에너지(태양전지, 연료전지, 수소/이온 전달장치 등) 개발함으로써 태양전지(현 에너지 효율 20%)에 적용, 에너지 변환 효율 극대화를 가져올 수 있을 것으로 업계는 예측하고 있다.

살아있는 세포의 활동을 분자수준에서 관측해 왔다면 생명현상의 원리 파악을 통해 수명연장/질병퇴치가 수월해지고, 원자 주위의 전자분포 변화 관측을 통해 궁극의 반도체인 단원자 트랜지스터 개발을 가능케 할 수 있다. 현재 반도체 기술의 한계 선폭은 1nm(최신 인텔칩 약 7nm)로 한계상황을 맞고 있는 점을 고려하면 상당한 영향력을 갖고 올 것으로 예상된다.

4세대 가속기가 구축될 경우 건축, 토목, 전기‧전자, 제어, 진공, 정렬 등 분야의 극한기술 성공으로 국내 기술수준을 한단계 끌어올릴수 있다는 이점과 함께 기존 3세대 인프라 공동활용으로 국비 1천957억 절감이라는 성과를 가져올 것으로 기대된다.
홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr

산업1부 홍보영 기자입니다. 국내외 무역과 로봇, IoT, 기계·금형산업에 대한 참 소리를 전합니다.^^

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