[대덕포럼] 태양광보다 밝은 빛으로 들여다 보는 가속기

김해진 한국기초과학지원연구원 대덕분석과학본부장

2019년 7월 1일 일본 경제산업성이 반도체 및 디스플레이 제조 핵심 소재의 한국에 대한 수출을 제한하기로 발표하면서 상대적으로 반도체·디스플레이 산업이 차지하는 비중이 크고 원천기술이 부족했던 우리나라에서는 매우 큰 경제위기로 인식됐다.

이에 우리나라 정부에서도 원천기술의 중요성을 깨달아 소재·부품·장비의 원천기술 확보를 위해 정책적인 지원을 확대하기 시작했고, 그중의 하나가 소재·부품 산업 현장에서도 중요한 역할을 하는 차세대 방사광 가속기의 구축 건설이 될 것이다. 일본은 가속기를 이용해 반도체 소재인 극자외선 포토레지스트 품질을 꾸준히 높여 왔고 국제적인 대만 반도체 기업 TSMC는 한 해 1천 시간 이상 가속기를 활용하여 반도체 기술의 발전을 이끌고 있다.

기초과학 원천기술연구뿐만 아니라 첨단산업 지원역량을 확충하고 국가 과학기술 경쟁력 강화를 견인하는 가속기의 역사는 현대 물리학의 발전과 함께해 왔다. 가속기는 입자를 높은 에너지로 가속시켜 실험 및 연구에 활용하는 장치로, 과학과 기술의 진보에 기여한 중요한 거대 실험 장치 중 하나다.

1887년 뢴트겐의 X-선 발견 이후 1900년대 초 러더퍼드가 빛의 산란을 이용해 원자핵 주위에서 전자의 분포를 발견하는 기념비적인 과학적 사건 이후, 이 원리를 응용한 가속기 개발이 시작됐다. 1930년대에는 자기장과 전기장을 이용해 입자를 원형 경로로 가속시키는 장치인 사이클로트론이 로렌스에 의해 개발돼 과학 기술 발전을 진일보 시켰으며, 제2차 세계 대전 중, 가속기는 핵무기 연구에 큰 역할을 하는 등 과학기술 및 산업의 비약적인 발전에 커다란 역할을 했다. 현대에는 더욱 발전된 형태의 가속기가 다양한 분야에서 사용되고 있다.

우리나라도 1995년부터 포항 방사광 가속기를 운영하고 있다. 포항 방사광 가속기는 자석을 여러 쌍 배치한 삽입장치를 활용해 방사광을 중첩하는 방사광가속기로 그동안 우리나라의 과학기술적 발전을 견인하는데 커다란 역할을 했다.

방사광은 고에너지 전자가 가속될 때 발생하는 빛이다. 방사광가속장치는 나노과학기술과 바이오 과학기술이 발전함에 따라, 그 응용성이 한층 커지고 있어 세계 각국에서 차세대 방사광 가속기를 국가대형연구시설로 설치하고 있다.

입자가속장치에서 에너지 손실에 해당됐던 빛(방사광)이 유용하다는 것을 인지한 후 입자가속장치에서 방사광을 이용하던 시기를 1세대라 하고 방사광 전용 가속장치를 만들어 방사광을 이용하던 시기를 2세대라 한다. 2세대 방사광가속기에서 개발된 다양한 실험기법과 응용연구가 활성화되면서 보다 경쟁적인 연구를 위한 양질의 방사광원을 얻기 위해 건설된 방사광가속기가 3세대이다. 3세대 가속기의 방사광원의 밝기는 태양광의 100억 배 밝다. 한국의 포항 방사광가속기도 3세대 가속기에 속한다.

2000년대 3세대 방사광가속기는 저장링을 회전하는 전자의 상호작용 등에 의해서 그 휘도에 제한점이 있는데 이를 극복하기 위해 3세대 방사광보다 100배 밝은 방사광을 얻고자 하는 4세대 방사광가속가 2022년부터 2027년 완공을 목표로 한국기초과학지원연구원 주관 하에 건설되고 있다.

4세대 방사광가속기는 기초·응용과학 분야의 국내연구 수준을 향상하고, 이를 토대로 생명, 반도체, IT, 녹색에너지 나노소자 및 소재 등 국가성장 동력사업의 완성에 이르기까지 많은 연구자가 사용하는 대표적인 이용자 지원시설이 될 것이다. 한국기초과학지원연구원은 국가 첨단 대형연구장비구축·운영을 통한 연구지원과 공동연구를 하나의 기관 임무로 하고 있는 연구기관으로서 새롭게 건설되는 차세대 다목적 방사광가속기를 운영하기에 가장 적합한 연구기관이라 할 수 있다. 김해진 한국기초과학지원연구원 대덕분석과학본부장