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경제용어사전

방사광가속기

[放射光加速器, synchrotron radiation]

나노미터(㎚·1㎚=10억분의 1m) 이하 초미세 세계를 분석하는 설비로 ‘꿈의 현미경’이자 `초고성능 거대 현미경'으로도 불린다. 빛의 속도(초당 30만㎞)에 가깝게 가속된 전자가 진행 방향을 바꿀 때 방출하는 광선(방사광)을 이용해 ㎚ 단위 물질을 훤히 들여다볼 수 있다.


방사되는 빛은 적외선에서 X-선에 이르기 까지 다양하여 연구자는 필요에 따라 적정파장의 빛을 분광하여 실험에 활용한다.

우리나라는 2016년 8월 29일 포항공대에 3세대 선형 방사광 가속기를 설치했으며 9월 29일 준공식을 함으로써 미국, 일본에 이어 세계에서 3번째 4세대 방사광 가속기 보유국이 됐다.

4세대 방사광 가속기는 물질의 미세구조와 현상을 관찰할 수 있는 능력을 지닌 슈퍼 현미경이다. 살아 있는 물질의 분자구조 움직임을 나노초(10억분의 1)의 1000만 분의 1초인 펨토초(1000조분의 1초) 단위까지 분석한다. 상상 이상의 빠른 속도로 이뤄지는 광합성과 생명 화학반응을 보기 위해서는 이런 현미경이 필요하다.

포항 4세대 방사광가속기는 2011년 착공해 5년 만에 준공됐다. 지곡동 일대 2만620㎡ 부지에 길이 1110m, 높이 3m로 건설된 국내에서 가장 긴 단층 건물이다. 사업비만 4298억원이 들어갔다.


1995년 가동을 시작한 3세대 가속기에서 만들어내는 엑스선 세기는 햇빛의 100억배다. 이번에 준공된 4세대는 그보다 1억배 강한 100경배에 이른다. 빛이 더 세다는 건 더 작은 세계를 밝게 볼 수 있다는 뜻이다. 4세대 방사광가속기를 보유한 나라는 미국과 일본뿐으로, 한국이 세 번째다.

방사광가속기를 산업 분야에서 활용해 성과를 올린 사례는 적지 않다. 발기부전 치료제 비아그라의 단백질 결합 구조를 밝혀내 치료 효능이 나타나는 과정을 규명했고, 눈에 보이지 않는 철강재의 결함을 파악하는 데도 기여했다. 삼성전자는 방사광가속기를 이용해 광통신 반도체소자 불량률을 70%에서 10%로 개선했다.

단백질 구조를 파악할 수 있기 때문에 신약 개발에도 유용하다. 바이러스 단백질이 세포막을 뚫고 들어가는 모습도 포착할 수 있다. 미국에서는 방사광가속기로 조류인플루엔자 치료제 타미플루를 개발했다. 반도체 산업의 벽이나 다름없었던 10㎚ 이하 반도체 공정 개발도 가능해진다.

4세대 선형 가속기는 펨토초(1000조분의 1초) 동안 일어나는 현상까지 살필 수 있다. 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나가 물이 생성되는 찰나의 순간을 포착한다. 식물 잎에서 일어나는 광합성 과정을 확인해 식물을 모방한 태양전지를 개발하는 데 활용할 수 있다.

2020년 5월 8일에 과학기술정보통신부는 충북 청주시 오창읍 후기리 일대에 조성 중인 오창 테크노폴리스 산업단지 내 54만㎡ 규모로 4세대 다목적 방사광가속기를 건설하기로 했다. 2022년 내 사업에 착수, 2028년 운영을 시작할 다목적 4세대 원형 방사광 가속기는 태양빛 밝기(단위 면적당 광자 기준)보다 약 1조 배 밝은 광선을 쏠 수 있다. 직접 비교 대상인 포항의 원형 방사광가속기의 밝기(태양빛의 100억 배)보다 100배가량 고성능이다.

업계는 새 방사광가속기가 극자외선(EUV) 공정 반도체 연구개발, 차세대 디스플레이 소재 기초연구 등에 활용될 것으로 보고 있다. 과기정통부에 따르면 대만의 반도체 기업 TSMC는 연간 1000시간 이상 방사광가속기 빔라인을 이용하고 있다. 신종플루 치료제 타미플루도 미국 스탠퍼드대가 보유한 방사광가속기의 단백질 구조 분석을 통해 개발됐다.

현재 장비론 수요 감당 안 돼

새로 가속기를 짓는 이유는 가속기 이용 수요가 해마다 급증해서다. 포항 3세대 가속기는 지난해 대학 연구기관 기업 등에서 6096명이 신청해 총 1607건의 연구를 진행했다. 그러나 수용률은 절반(50.6%)에 불과했다. 신청 일수는 6298일인 데 비해 실제 수행일수는 3189일에 그쳤다. 수용률은 2016년 60.7%에서 해마다 떨어지는 추세다. 청주에 가속기가 새로 들어서면 이 같은 초과 수요를 분산할 수 있다. 현재 포항 3세대 가속기를 이용하는 비용은 24시간에 150만원(기업 고객 기준)이다.

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