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[연재강좌] 최근의 광기술
2005년 9월 3일 (토) 13:04:00 |   지면 발행 ( 2005년 8월호 - 전체 보기 )

이 원고는 일본 《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.SPring-8과 방사광 이용기술방사광이란 광속 가까이 가속된 전자가 자장으로 인해 진행방향을 틀었을 때 발생하는 광(전자파)을 가리킨다. 미국에서 첫 관측하고 나서 올해로 58년이 된다. 방사광은 밝고 파장영역이 넓어 레이저처럼 지향성이 있으며 편광특성, 펄스특성 등 기존 광원에 없는 뛰어난 특성을 갖추고 있기 때문에 일찍부터 이용을 검토해왔다. 일본에서는 세계최초의 방사광 전용 축적 링 SOR-RING이 1975년에 건설되고 1982년에는 전자 에너지 2.5GeV(GeV는 10억 전자볼트)의 포톤 팩토리(photon factory)를 완성했다. 당시 최첨단 방사광 시설에서 방사광의 광원개발과 이용연구가 진행됐다. 그리고 일본 독자, 창조적인 연구를 추구해야만 한다는 목소리를 배경으로 X선 영역의 휘도가 높은 방사광시설건설을 요구하면서 대형방사광시설 SPring-8이 건설됐다.SPring-8(Super Photon ring 8 GeV에서 명명)은 효고현 아이오이시 북20㎞에 위치한 하리마과학공원도시에 건설된 세계최고성능의 방사광시설이다<그림1>. 일본원자력연구소와 이화학연구소가 건설하고 1997년(재)고휘도광과학연구센터 하에 공용이 개시됐다.

SPring-8 시설SPring-8의 가속기는 선형가속기와 싱크로트론(Synchrotron)에서 구성되는 입사기와 광원 축적 링에서 만들어진다. 선형가속기는 전자총으로 끌어낸 전자빔을 1GeV까지 가속기로 싱크로트론으로 보내고 거기서 1GeV에서 8GeV까지 가속시켜 축적링에 입사한다. 축적링에 입사·축적된 전자빔은 링을 주회하면서 방사광을 계속 발생한다. 이것을 빔 라인으로 꺼내어 이용한다. 전자 궤도를 휘게 해서 방사광을 발생시키는 광원으로는 편향전자석과 주기자장을 이용해 전자궤도에 기복을 많이 만들어 보다 강한 빛을 얻는 삽입광원이 있다. SPring-8의 주요 광원은 언듈레이터(undulator)라 부르는 삽입광원이다<그림2>. 표준형 언듈레이터는 자석열 마다 진공으로 빼는 진공봉지형이다. 이밖에 수직변경형·가변편광형·헤리컬(Helical)형·8자형·25m의 긴 자석형 등, 각각 편광특성이나 휘도에 특징을 지닌 세계에 유례를 볼 수 없는 고성능 광원이 설치됐다. 광원에서 발생한 방사광을 끌어 내 실험 해치(Hatch)로 이끄는 장치가 빔 라인이며, 기간 채널과 광학해치 부분으로 나뉜다. 광학해치에서는 추출된 방사광을 광학기기를 이용해 필요한 파장·필요한 크기로 정형해 실험해치로 보낸다. 실험해치에서 실제 측정이 이뤄진다. 이와 같은 빔 라인이 모두 62개까지 설치가능하며 2005년 현재 46개가 가동 중이고, 2개가 건설, 조정 중에 있다. 빔 라인의 길이는 통상 50~60m로 실험 홀 내에 있지만 의학이용 실험시설에는 215m 길이가 2개, 1km의 빔 라인이 장척 빔 라인 실험시설에 설치, 이용되고 있다.SPring-8의 빔 라인은 시설자가 설치하고 다수의 이용자가 차례로 이용하는 공용 빔 라인과 특정 이용자가 개인부담으로 설치해 전용으로 사용하는 전용 빔 라인이 있다. 공용은 25개, 전용 9개, 원자력 연구소·이화학 연구소의 빔 라인이 10개 가동되고 있다. 공용 빔 라인은 고휘도광과학연구센터가 관리, 운영하고 있으며 연 2회 과제를 모집해 과제선정위원회에서 채택된 과제에 이용을 허가한다. 이용요금은 기본적으로는 무료이다. 성과전유과제에 관해서는 빔 사용료를 지불하지만 과제심사를 일부 간략화 함으로써 산업계 이용에 배려했다. 실제 이용에 관해서는 관리·운영자인 고휘도광과학연구센터에 문의한다. 2004년 축적링 총 운전시간은 5,750시간, 이용시간은 4,680시간, 가동 빔 라인은 46개, 공용 빔 라인의 과제 수는 1,122, 이용자수는 7,302, 전용시설 이용 과제 수는 309, 이용자수는 2,423이다. 작년부터 탑업 운전을 실시하고 있다. 이것은 1분 내지 5분 간격으로 손실한 만큼 빔을 보충해서 전류 값을 일정하게 유지하는 것인데 이로 인해 안정적이고 실효전류 값이 높은 연속운전을 실현했다. SPring-8의 주요 성능과 방사광 휘도를 <표1>과 <그림3>에 나타낸다.

SPring-8 방사광 이용모든 물질은 원자로부터 생성되며 각 원자는 정 전하를 지닌 원자핵과 그 주위에 부 전하를 지닌 전자가 분포하고 있다. 물질을 구성하는 원자와 분자의 종류, 병렬방법 등의 구조가 그 물질의 성질을 결정한다.물질에 조사된 빛(전자파)은 물질을 투과하기도하고, 흡수·반사, 산란·회절되며, 분자나 전자를 진동·회전시킨다거나 전자를 방출해서 원자나 분자를 파괴하기도 한다. 이와 같은 빛과 물질의 상호작용은 파장에 따라 다르며, 또 원자나 분자의 종류, 구조에도 의존한다. 빛과 물질의 상호작용의 소(素)과정은 비교적 단순해서 이미 알려져 있다. 따라서 방사광을 물질에 조사하고 투과·흡수·반사·산란·회절·광전자 방출 등의 과정을 측정함으로써 물질 중의 원자 비교와 전자 분포 등의 구조를 조사하는 것이다<그림4>.방사광의 특징은 휘도가 높고 이용할 수 있는 파장 범위가 넓어 시간적으로 짧은 펄스광의 연속이다. 그리고 백색광원으로 이용할 수 있고 특정 파장도 방출가능하기 때문에 파장을 자유롭게 선택할 수 있다. 삽입광원 자신의 편광특성을 이용하거나 이상자(移相子)를 통해 편광을 이용할 수 있다.이와 같은 특성을 살림으로써 이제까지 불가능하다고 생각했던 실험이나 독창적인 사고를 바탕으로 한 연구가 가능해지면서 뛰어난 성과를 거두고 있다. 최근의 성과 몇 가지에 관해 보고한다. 여기서 소개하는 성과는 모두 SPring-8 홈페이지에 실려 있으므로 상세한 부분은 http://www.spring8.or.jp/를 참조한다.

SPring-8의 최첨단 연구성과1. 생명과학생명과학 분야에서는 단백질의 입체구조 해명을 중점적으로 다루고 있다. SPring-8의 방사광은 휘도가 높기 때문에 막 단백질과 같이 결정(結晶)으로 만들기가 어렵고 작은 결정으로 만들 수밖에 없는 시료라도 정밀도가 높은 해석을 단시간에 실시할 수 있다.근소포체 칼슘펌프는 생체막을 관통해서 존재하는 막 단백질의 일종으로 근육수축을 위해 근세포 속으로 방출된 칼슘을 근소포체 속으로 다시 넣는 펌프이다. 이 작용으로 근육은 이완된다. 도쿄대학 토시마 교수 그룹은 이러한 막 단백질이 칼슘을 운반하기 전과 운반을 마친 상태 등 4가지 상태의 결정을 SPring-8에서 해석하고 입체구조를 결정한다. 원자구조에 기초한 게이트 개폐 기구를 해명하는 일을 세계에서 최초로 성공했다<그림5>.로돕신(rhodopsin)은 망막의 시세포에 포함되는 시 물질로 시각을 주관하는 환경정보 센서이다. 수 개의 광자로 활성화 되는 극히 민감한 분자 스위치로 작용한다. 이화학 연구소 미야노씨 그룹은 산란·회절을 통해 로돕신의 입체구조와 신호전달의 기구를 분명히 했다. 이것은 다른 감각의 전달기구와의 공통성이 높아 천식약·향정신약 등 많은 의약품개발에 도움이 된다.생물의 유전자는 DNA(디옥시리보핵산)에서 생성되며 생명활동에 필요한 단백질을 합성하는 설계도가 됐다. 인간의 DNA의 염기배열은 이미 해독되어 유전자배열과 그것이 만들어 내는 단백질, 이 단백질의 입체구조와 기능이라는 관련도해가 중요한 연구주제가 됐다. 유전자의 어느 성분이 어떻게 단백질을 합성하고 어떠한 특정기능을 갖출지를 해명할 수 있다면 병의 새로운 치료법과 신약 개발로 이어질 것으로 기대된다. 이를 위해 이화학 연구소를 중심으로 단백 3000프로젝트가 진행되고 있으며 이것은 단백질의 입체구조를 망라해 분명하게 해 두는 것이며 현재 이미 300이상의 구조가 해석됐다.효고현립 첨단과학지원센터 센카와씨 그룹은 모발의 칼슘 농도를 형광X선 분석법으로 조사해 흥미 있는 결과를 얻었다. 유방암 환자의 모발을 모근에서 첨단으로 분석하면 발병 1년 전에 칼슘의 이상을 보이고 있다는 사실이 관찰되어 정기분석검사를 통해 예지나 예방 가능성을 시사했다.2. 물질과학도쿄공업대학 히로세씨·해양연구개발기구의 타츠미씨 그룹은 고휘도에서 백색X선의 가는 빔을 이용한 산란·회절로 초고온고압상태에서 존재하는 지구심부물질 상태를 조사했다. 핵과 맨틀(mantle)의 경계에 해당하는 D”층이라 부르는 부분은 125만 기압 2200℃ 이상에 달하고 있으며 실리콘계의 산화물 페로브스카이트(perovskite)라는 광물이라고 믿고 있었다. 이러한 상태를 인공적으로 만들고 포스트·페로브스카이트라는 물질에서 성립된다는 것을 세계 최초로 밝혔다<그림6>. 지구 내부의 층 구조를 형성하고 있는 광물종의 변화가 모두 밝혀졌기 때문에 상당히 중요한 발견이라 할 수 있다.나노 사이언스 분야에서도 SPring-8의 높은 성능이 발휘되고 있다. 축구공 형태의 탄소분자 풀러 렌(fullerene)은 나노 메터리얼의 대표이다. 나노 사이즈의 바구니 안에 금속을 내포함으로써 초전도·자성·유전선 등의 기능 발현이 기대된다.X선 회절장치를 이용해 이와 같은 물질 구조가 불과 수 밀리그램의 분말결정에서 1시간 정도로 측정할 수 있고 최대 엔트로피법(MEM)을 이용함으로써 세계최고 정밀도로 분명히 할 수 있다. 많은 금속을 내포한 풀러 렌의 구조가 SPring-8에서 결정되고 내부의 금속 위치와 금속이 움직이고 있는 것도 알게 되었다. 또 나노 튜브 속에 금속내포 풀러 렌을 나열한 구조의 피폿드(완두)도 만들었다.기체의 흡착재료나 필터로는 광물 제올라이트(zeolite)나 활성탄이 이용되는데 다공질의 구멍 크기를 자유롭게 제어할 수는 없었다. 도쿄대 그룹은 금속이온과 유기분자를 이용해 다공질의 3차원 구조나 나노 사이즈의 구멍크기를 설계할 수 있게 됐다. 산소흡착용과 수소흡착용으로 만들어진 유기착체 나노 세공구조를 SPring-8 분말결정구조해석 빔 라인으로 측정해 구조가 설계대로 이뤄졌는지, 거기에 산소분자가 어떻게 흡착되었는지, 수소분자가 어떻게 흡착됐는지를 볼 수 있었다<그림7>. 이러한 사실은 다공질의 구조·배열을 설계하고 합성함으로써 연료전지용의 수소 저장이나 특정 가스를 제외하기도 하는 필터 등 새로운 기능재료를 만들 수 있는 길을 열어놓은 결과가 된다. 또 방사광은 기본적으로는 전하와 상호작용하기 때문에 1하의 전하만 갖는 수소의 위치가 방사광으로 보였다는 점에서 큰 의미가 있다.3. 이메징방사광X선의 굴절율의 차이에 따라 콘트라스트(contrast)를 이용한 이메징법이 주목받고 있다. 종래 렌트겐선과 같이 흡수를 이용하는 경우는 촬영면을 피사체 바로 뒤에 두는 데에 반해, 굴절 콘트라스트를 이용하는 경우는 피사체에서 4m나 거리를 두고 있다는 점이 특징이다. 보통 호흡을 이용한 경우의 이미지와 비교해 에지(edge)가 강조되어 화상의 선명도에 뚜렷한 차이를 볼 수 있다. 이러한 이메징 법은 의학이용에 커다란 기대를 갖게 한다. 조직의 약간의 밀도의 차이가 있는 콘트라스트로 분해능이 좋은 상을 얻을 수 있어 암조직과 정상조직의 판별이 가능해 지기 때문에 앞으로 암 검진에 도움이 될 것으로 본다. 이 분야에서는 토끼의 귀에 이식한 암의 성장 등이 이미 관찰됐다. 게다가 CT기술과 조합함으로써 단면이나 3차원의 관찰도 가능하다. 물론 대상은 생체뿐만이 아니라 물질의 관찰에도 널리 이용되고 있다.4. 형광X선 분석형광X선 분석법은 비파괴·고감도로 미량원소 분석이 가능하기 때문에 자주 이용되는데 SPring-8의 X선은 고 에너지·고 휘도로 마이크로 빔을 이용할 수 있다는 점에서 주목할 만한 성과가 나오고 있다. ‘와카야마 카레 독극물 사건(마을축제에 카레를 만드는데 그곳에 독극물을 넣은 사건)’의 시료분석에 이용된 점은 주지의 사실이다. 아비산에 함유된 불순물의 비율이 산지나 정제과정에서 차이가 있다는 점을 이용해서 시료의 이동(異同)식별을 실시한 것이다.센오쿠 하코쿠칸 그룹은 소유하는 중국 전국시대부터 삼국시대에 걸친 중국경, 기원 3~4세기 일본 고분시대의 일본경과 삼각연신수경을 SPring-8의 방사광을 이용해 분석했다. 청동경의 지금(地金)부분에 함유된 미량의 중원소 안티몬(Antimon)과 은에 주목해 측정했다. 그 결과 시대마다 미량 원소의 존재 비율에 명료한 변화를 보이며 삼각연신수경의 원재료는 중국의 삼국· 서진시대의 신수경 그것과 매우 흡사하다는 사실을 알았다<그림8>. 고고학의 응용은 향후 주목해야할 분야이다.방사선의학종합연구소 그룹은 쥐에게 환경호르몬의 일종의 유기주석을 투여하고 4일 후 주석이 정자로 이행하는 것을 세계 최초로 검출했다. 유기주석으로 인한 생식독성해명과 예방책 개발의 실마리가 될 것으로 기대된다.5. 산업이용세계최고성능의 SPring-8을 이용해 기초적인 분야에서 이제까지 실현할 수 없었던 실험이 가능해지면서 보이지 않았던 것이 보이게 됐다. 향후 기초적인 분야뿐 만아니라 산업이용에 관해서도 커다란 기대를 걸고 있다.XAFS(X선 흡수 미세구조)·마이크로 빔을 이용한 회절·이메징에 의한 그 자리 관찰 등 방법은 많지 않지만 응용분야는 다방면에 사용할 수 있다. 전자분야에서는 LSI용의 박막, HDD나 DVD용의 박막, 광 반도체 등 종래 기술에서는 계측이 곤란한 나노 박막재료의 분석·평가에 이용하고 있다. 재료분야에서는 부식·방수 피막·결정구조·내부응력의 해석 등에 이용한다. 섬유·고분자 재료분야, 환경·에너지 분야, 바이오 관련분야 등에서도 성과를 얻고 있다. 특히 전자와 자동차 관련 이용이 많은 것 같다.토요타 중앙연구소는 리튬전지의 충방전 반복으로 열화되는 원인을 조사하기 위해 SPring-8의 방사광을 이용해 비파괴로 X선 흡수 미세구조를 그 자리 관찰을 하고 정극재료의 열화를 원자레벨의 구조변화로 분명히 했다. 이로 인해 리튬전지의 수명을 비약적으로 개선할 수 있었다.일본원자력연구소와 다이하츠공업은 나노테크놀로지를 이용해 새롭게 개발한 자동차용 배기가스 정화용 페로브스카이트형 산화물 촉매가 자기재생기능을 갖는다는 것을 SPring-8의 X선을 이용해 원자레벨로 밝혔다. 귀금속 미립자를 분산보지 시키는 이제까지의 촉매는 800℃ 이상의 고온, 산화·환원분위기 변동 등 환경에 노출되어 입성장하고 표면적이 감소함으로써 기능 저하를 피할 수 없었다. 페로브스카이트형 산화물에 귀금속 페러디엄(palladium)을 복합시킨 신개발 촉매는 산화환원의 변동 하에 결정구조를 바꿈으로써 귀금속 미립자의 입성장을 억제한다는 사실을 밝혀냈다<그림9>. 이 촉매는 이미 실용화 되고 있다.헬스케어(Health care)관계의 방사광 이용도 주목받고 있다. 모발 내부의 마이크로 구조부터 상처난 머리의 보수효과를 분자레벨로 평가한다거나 면도칼로 수염을 깎는 절단 관찰, 아연을 배합한 치약에 의한 충치예방의 메커니즘 해명에 이용되기도 한다.SPring-8의 이용은 원칙적으로 이용자 자신이 실험을 하는데 산업계로서는 이것이 커다란 장벽이 되고 있는 듯하다. JASRI(고휘도광과학연구소센터)에서는 산업이용을 촉진시키기 위해 산업이용 추진실과 코디네이터제도를 설치해 강습회·연수회·컨설팅·기술지원을 실시하고 있다. 2001년부터 트라이얼 유스(Trial Use)제도도 실시해 그 성과가 나타나기 시작했다.앞으로의 전망SPring-8은 이용개시 후 8년 째 접어들며 성숙기·본격적 이용기에 들어섰다. 기초과학적 이용이 중요하다는 사실은 물론이거니와 이용 영역을 넓히는 일 또한 빼놓을 수 없다.이를 위해 산업이용을 더욱 더 추진해야 한다. 산업이용을 촉진시키기 위해서는 기업이 사용하기 편한 구조를 갖추는 일이 중요하며 이를 위한 제도로 앞에서 설명했듯이 조금씩 정동하고 있다.앞으로도 홍보활동에 힘쓰면서 이용을 호소하고 싶다. 그리고 한편으로는 세계최고의 성늘을 유지, 강화하는 일이 중요하며 이를 위해 국가의 예산이 필요한 것은 당연하다.

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