원자와 분자의 운동을 관찰하여 각종 물질의 비밀을 밝혀내고 차세대 신물질을 개발하는 데 활용되는 ‘초고속 원자·분자 분석 시설’이 한국원자력연구원 양자빔기반방사선연구센터 내에 구축됐다. 미래창조과학부 세계수준의연구센터(WCI) 사업의 일환으로 2012년 6월부터 총 3년 6개월 동안 80억의 예산이 투입된 초고속 원자·분자 분석 시설은 미국, 일본, 독일, 중국에 이어 세계에서 다섯 번째로 건설된 국내 유일의 초고속 물성 연구 시설이다. 이 분석 시설은 매우 짧은 전자빔을 이용하여 원자의 움직임까지 찍을 수 있는 획기적인 시설로, 물질에 대한 기초연구뿐만 아니라 물질의 원리 규명을 통해 차세대 신물질을 개발하는 등 국가 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

글•사진 김대근 기자
취재 협조 한국원자력연구원 양자빔기반방사선연구센터 정영욱 부센터장, 황순관 홍보팀장

한국원자력연구원은 지난 11월 27일 연구원 내 핵심시설 완공 축하와 홍보를 위해 미래창조과학부 및 한국연구재단 관계자 등 내외빈 70여명이 참석한 가운데 ‘초고속 원자·분자 분석 시설 준공식’을 국제원자력교육훈련센터(INTEC)와 제1연구동에서 개최했다. 이날 개최된 준공식 행사에서 김종경 한국원자력연구원장은 “원자력 연구개발을 선도하는 나라로서 전 세계에 몇 안 되는 첨단 연구시설을 갖추게 된 것에 대해 자랑스럽게 생각한다”며 “준공된 초고속 원자·분자 분석 시설을 통해 다양한 물질에 대한 기초연구가 활성화되길 기대한다”고 말했다. 미국, 일본, 독일, 중국에 이어 세계에서 다섯 번째로 건설된 국내 유일의 초고속 물성 연구 시설, 초고속 원자·분자 분석 시설(UED: Ultrafast electron diffraction)은 △가속관과 광전자총 △고체와 기체시료 빔라인 △고주파수와 엑스선 빔라인 등으로 구성되어 원자와 분자의 움직임을 정밀하게 관찰할 수 있다.

01 초고속 원자·분자 분석 시설 준공식 02  테이프 커팅식 모습 03 초고속 원자·분자 분석 시설 개념도

100조 분의 1초의 시간 정밀도…고온 초전도체 동작 원리 등 규명
초고속 원자·분자 분석 시설에서는 원자·분자 내부의 구조와 움직임을 0.01 나노미터 수준으로 정교하게 관찰할 수 있으며, 타 시설보다 약 10배 향상된 10펨토초(1펨토초는 1000조 분의 1초)의 시간 정밀도로 연구를 수행할 수 있다. 그동안 일반 카메라로 보던 물체의 움직임을 초고속카메라로 보는 것처럼 보다 정밀한 관찰이 가능하게 된 것이다. 니콜라이 비노쿠로프(Nikolay Vinokurov) 원자력연구원 양자빔기반방사선연구센터장은 “원자·분자 내부의 구조 및 움직임에 대한 정밀한 관찰과 분석을 통해 그동안 베일에 쌓여 있던 물질의 비밀, 즉 고온 초전도체의 동작원리, 광합성 과정의 고효율 전자전달 과정, 초고속 나노스핀 상호작용 등을 밝혀내는 데 한 발 더 다가갈 수 있게 됐다”고 말했다.이러한 물질의 원리 규명은 고효율 에너지 물질과 반도체·통신 분야의 차세대 물질 개발로도 이어져 국가 경쟁력 강화에 크게 기여할 것으로 전망되고 있다.

04 UED(Ultrafast electron diffraction) 이미지 05 니콜라이 비노쿠로프(Nikolay Vinokurov) 양자빔기반방사선연구센터장의 경과보고 모습 06/07 초고속 원자·분자 분석 시설 및 연구 현장