대한민국에 ‘꿈의 빛’ 4세대 방사광가속기 시대가 열렸다. 미국·일본에 이어 세계 세번째다. 방사광가속기는 거대한 현미경이라고 생각하면 된다. 기존 3세대 보다 1억배(햇빛의 100경배) 밝고, 1/1000 짧은 펄스폭으로 물질의 미세구조와 현상을 나노미터/펨토초(10-15) 단위까지 분석이 가능하다. 이를 통해 과거 볼 수 없었던 물질의 미세구조와 현상을 분석해 생명공학, 청정에너지, 나노, 반도체 등 분야에서 선도적 연구를 가속화해 고부가가치 미래 신산업 육성에 기여할 것으로 기대된다. 4세대 방사광가속기 준공 의미와 기대효과 등을 전문가 기고를 통해 살펴본다. <편집자 주>

노도영 광주과학기술원 교수(한국방사광이용자협회장)

방사광가속기는 전자들을 거의 빛의 속도로 가속시킨 후 그 진행방향을 바꾸어 짧은 X-선영역 파장의 강력한 빛을 발생시키는 광원입니다.

아이슈타인이 제기한 상대성의 원리가 적용되는 영역입니다.

방사광가속기 기술은 지난 30여년 간 급속히 발전하여 현재 포항방사광가속기와 같은 3세대 방사광가속기가 여러 나라에서 운용 중입니다.

이 경우 전자들이 거의 원형에 가까운 고진공의 저장링에 설치된 휨자석이라고 불리는 자석에 의한 자기장이나 조그만 자석들 여러 개가 극을 바꿔가며 설치된 언듈레이터의 자기장에 의해 방향을 바꾸어 가면서 X-선 파장의 빛을 냅니다.

여러 전자들이 뭉쳐 다니며 빛을 내지만 한 뭉치내의 각 전자들이 내는 X-선 은 각각 상관관계가 없는 독립적인 빛입니다.

4세대방사광가속기는 모든 전자에서 나오는 빛이 같은 위상을 갖게 하는 진보된 기술을 활용하여 레이저 특성을 갖은 펄스형 X-선 레이저 빛을 만들어냅니다.

21세기 과학한국을 이끌어 갈 최첨단 4세대방사광가속기(조감도). (사진=저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지)

이 빛을 만들어내는 원리는 전자들이 외부 자기장뿐만 아니라 다른 전자들이 발생하는 X-선의 영향을 받아 의해 가속되면서 그들의 운동이 모두 연계되어 움직이고 같은 위상의 빛을 내는 것입니다.

군인들이 행진을 할 때 모두 발을 맞추어 움직이는 것과 흡사합니다.

3세대 등 기존의 방사광가속기가 강력하고 파장이 짧은 빛은 발생하지만 형광등 혹은 태양 빛과 같은 일반적인 X-선을 만들어 내는데 비해 4세대방사광가속기는 X-선 파장영역에서 레이저 펄스를 만들어내는 것이 큰 차이입니다.

우리가 일상생활에서 사용하는 형광등 빛과 레이저 빛의 파장은 비슷하지만 그 차이가 엄청난 것처럼 3세대와 4세대 가속기에서 발생하는 빛의 품질의 차이는 매우 큽니다.

4세대 방사광가속기가 발생하는 X-선 빛은 수 백조분의 1초 정도의 짧은 시간에만 지속되는 펄스형 레이저 빛이고, 지속 시간 동안에는 기존의 방사광가속기보다 10억 배나  밝습니다.

 X-선 레이저 빛의 파장은 물질계의 원자간 거리보다 짧고, 지속되는 시간은 원자사이를 원자가 움직이는 데 걸리는 시간 정도입니다. 

따라서 이 X-선레이저를 활용하면 원리적으로 물질계의 원자/분자의 구조를 관찰할 수 있고 원자/분자가 시공간에서 움직이는 동적현상을 알아낼 수 있다는 점이 가장 큰 활용가치라고 할 수 있습니다.

4세대방사광가속기 내부장치. (사진=미래창조과학부)

미국, 일본에 이어 우리나라가 세계 3번째로 이러한 능력을 보유하여서 국가과학기술의 경쟁력이 크게 늘어나고 새로운 연구영역을 창출할 수 있는 기회를 갖게 된 점은 큰 의미가 있습니다.

현재 스위스, 유럽공동체에서도 4세대 방사광가속기의 건설을 추진하고 있고, 중국 등 여러 나라가 기획하고 있어서 조만간 여러 개의 4세대방사광가속기가 관련 과학기술을 주도할 것으로 예상됩니다.

4세대 방사광가속기를 활용한 연구가 진행되면 물리, 화학, 생물 등 기초과학영역에서 현재까지 해결하지 못했던 난제들을 풀 수 있는 실마리를 제공할 것입니다.

현재 사용되고 있는 전자소자의 속도보다 천배 이상 빠른 전자나 스핀 현상을 연구하여 미래 초고속 전자소자를 개발할 수 있는 단초를 제공할 수 있습니다.

미래 에너지 기술에 매우 중요한 광합성, 촉매 작용과 같은 화학반응 시 원자들의 거동의 연구가 가능하여 그 원리를 밝혀낼 것입니다.

많은 과학자들이 4세대 X-선레이저 빛의 활용성이 가장 큰 분야로 생체분자의 구조규명을 들고 있습니다.

수많은 단백질 분자를 모아 인위적으로 커다란 결정체를 만들어야만 알아낼 수 있었던 단백질 분자의 구조를 자연상태에서 밝혀낼 수 있습니다.

4세대 방사광가속기는 인류가 연구할 수 있는 있는 단백질의 범위를 크게 넓혀 생명현상의 연구에 크게 기여할 것입니다.

이러한 기초과학 연구는 장기적으로 초고성능 전자소자, 에너지, 신약 등 미래 기술로 이어질 것입니다.

4세대 방사광가속기가 기초과학의 강력한 연구도구인 만큼 단기적 응용보다는 보다 이것을 활용하여 근본적인 자연현상의 원리를 규명하고 그것이 궁극적으로 인류에 삶을 향상시키는 장기적 관점의 기여가 클 것으로 기대됩니다.