한국, 세계 3번째 꿈의 빛 'X-선 레이저’ 발생 성공

포항 4세대 방사광가속기,

0.5nm 파장 X-선 자유전자 레이저 발생 공식 확인

3개국 중 최단 기간 성공

신약개발, 인공광합성, 단원자 트랜지스터 등 

새로운 영역 개척 기대

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

 

포항 4세대 가속기 

포항 4세대 가속기 X-선 레이저 에너지 스팩트럼 / 이미지 

미래부

동영상 참조

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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, 6월 29일 밝혔다.

 

미래부는 ‘11년부터 지난해 말까지 총사업비 4,298억원을 투입하여 포항공대에 4세대 방사광가속기를 건설하고, 방사선발생장치 사용허가(4.12, 원안위)에 따라 4월 14일부터 종합 시운전을 해 왔다.

※ EU 4세대 방사광가속기(‘09년～’16년) 보다 짧은 기간에 구축 완료

 

지난 6월 14일 새벽에 최초의 X-선 레이저가 관측되었으며, 외부 전문가검증위원회(위원장 권면 등 7인)가 6월29일 현장을 방문하여, X-선 레이저의 에너지 스펙트럼, 파장, 펄스 등 기본성능을 검증함으로써, 4세대 방사광가속기의 모든 장치가 성공적으로 정상 작동함을 공식확인하였다.

한편, 지난 5월초에는 국제가속기컨퍼런스(IPAC‘16, 벡스코)에 참석한 36개국 전문가 약 200여명이 4세대 가속기를 방문하여 세부장치들의 우수한 성능을 극찬 한 바 있다.

시운전 시작 후 자유전자레이저 발생까지 미국(LCLS)은 2년(‘07~’09), 일본(SACLA)은 4개월(‘11.2~’11.6)이 걸렸으나, 포항 4세대 방사광 가속기(PAL-XFEL)는 불과 2개월(‘16.4~’16.6) 만에 성공하였다.

 

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.

<한․미․일 4세대 방사광가속기 성능 비교>

* 전자 에너지 : 전자의 에너지가 높을수록 X-선 레이저의 파장이 짧음

** X-선 레이저 파장 : 파장이 짧을수록 시료를 보다 깊게 투과 가능

*** 펄스폭 : 펄스폭이 짧을수록 더 빠른 초고속 촬영 가능(시간 분해능 우수)

 

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 전망하였다.

 

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.

※ 3세대 : 태양빛의 100억 배/피코초 관측, 4세대 : 태양빛의 100경(京)배/펨초토 관측

- 시료를 통과하면서 물질과 반응한(산란) X-선의 강도/위치를 분석,구조 판별

< 일반 X-선 3세대 X-선, 레이저 X-선 자유전자 레이저 비교 >

※ 병원X-선과 일반레이저는 파장을 고려치 않고 광자수로만 비교

 

단분자 단백질이나 살아있는 세포의 움직임을 실시간으로 분석할 수 있게 되어 획기적인 신약개발*에 활용되고, 신물질․신소재 분석을 통한 원천기술 확보와 IT·반도체 소자산업, 의료분야 등 다양한 산업**발전에 기여할 것으로 기대된다.

* 질환 단백질 구조 분석을 통해, 이를 억제/저해하는 신약개발

** 인공광합성(에너지 효율 100% 태양전지), 단원자 트랜지스터, 수소에너지 등

 

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

* 이용자협회(약 1천명)는 단백질 결정구조 관찰 등 4개 실험주제 제안 중

 

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

* 4세대 가속기 효율적 활용방안 마련 기획연구(‘16.5～12, 이용자협회/포항가속기)

※ ‘17년 약 20그룹(과제) 200여명 이용지원 예정(247일 가동, 120일 이용)

- 해외 : 연간 미국(LCLS, 6기) 95그룹, 일본(SACLA, 2기) 52그룹 이용 중

 

이에 따라, ‘17년부터 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.

미래부

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