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[월요마당] ‘꿈의 빛’ 4세대 방사광가속기를 아십니까?
노도영 광주과학기술원 교수
2016년 10월 24일 (월) 10:24:06 에너지신문 energynews@ienews.co.kr
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[에너지신문] 전자와 같이 전하를 띤 입자가 속도나 방향을 바꾸면 빛이 발생한다.

방사광가속기는 전자들을 거의 빛의 속도로 가속시킨 후 그 진행방향을 바꾸어 짧은 X-선영역 파장의 강력한 빛을 발생시키는 광원이다. 아이슈타인이 제기한 상대성의 원리가 적용되는 영역이다.

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

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 낸다.

여러 전자들이 뭉쳐 다니며 빛을 내지만 한 뭉치내의 각 전자들이 내는 X-선 은 각각 상관관계가 없는 독립적인 빛이다. 4세대방사광가속기는 모든 전자에서 나오는 빛이 같은 위상을 갖게 하는 진보된 기술을 활용, 레이저 특성을 갖은 펄스형 X-선 레이저 빛을 만들어낸다.

이 빛을 만들어내는 원리는 전자들이 외부 자기장뿐만 아니라 다른 전자들이 발생하는 X-선의 영향을 받아 의해 가속되면서 그들의 운동이 모두 연계돼 움직이고 같은 위상의 빛을 내는 것이다. 이는 군인들이 행진을 할 때 모두 발을 맞추어 움직이는 것과 흡사하다.

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 차이다.

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

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

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

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

현재 스위스, 유럽공동체에서도 4세대 방사광가속기의 건설을 추진하고 있고, 중국 등 여러 나라가 기획하고 있어서 조만간 여러 개의 4세대방사광가속기가 관련 과학기술을 주도할 것으로 예상된다. 4세대 방사광가속기를 활용한 연구가 진행되면 물리, 화학, 생물 등 기초과학영역에서 현재까지 해결하지 못했던 난제들을 풀 수 있는 실마리를 제공할 것이다.

현재 사용되고 있는 전자소자의 속도보다 천배 이상 빠른 전자나 스핀 현상을 연구하여 미래 초고속 전자소자를 개발할 수 있는 단초를 제공할 수 있다. 미래 에너지 기술에 매우 중요한 광합성, 촉매 작용과 같은 화학반응 시 원자들의 거동의 연구가 가능하여 그 원리를 밝혀낼 것이다.

많은 과학자들이 4세대 X-선레이저 빛의 활용성이 가장 큰 분야로 생체분자의 구조규명을 들고 있다.  4세대 방사광가속기는 인류가 연구할 수 있는 있는 단백질의 범위를 크게 넓혀 생명현상의 연구에 크게 기여할 전망이다.

이러한 기초과학 연구는 장기적으로 초고성능 전자소자, 에너지, 신약 등 미래 기술로 이어질 것이다. 4세대 방사광가속기가 기초과학의 강력한 연구도구인 만큼 단기적 응용보다는 보다 이것을 활용해 근본적인 자연현상의 원리를 규명하고 그것이 궁극적으로 인류에 삶을 향상시키는 장기적 관점의 기여가 클 것으로 기대된다.

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