‘속도를 높이면 미래가 열린다.’

원자를 구성하는 물질 가운데 양성자와 전자를 이용, 초미세 세계를 관찰하고 거대한 에너지를 얻고 물질의 특성까지 변화시키는 기술이 바로 가속기의 세계다. 특히 양성자와 전자의 속도를 높이면 정보기술(IT)·생명기술(BT)·나노기술(NT)·항공우주기술(ST) 등 우리의 미래를 좌우할 첨단기술 개발에 가까워질 수 있다.

●‘빛 공장’, 방사광 가속기

물체의 형태와 구조, 색채를 식별하기 위해서는 빛이 필요하다. 특히 원자나 분자가 어떻게 배열되어 있는지 관찰하기 위해서는 원자간 또는 분자간의 거리보다 짧은 파장의 빛이 있어야 한다. 방사광 가속기는 전자를 빠른 속도로 만들어 다양한 파장 및 밝기의 빛, 즉 방사광을 생산하는 장치다. 이 빛은 태양빛보다 수백만배 밝고, 퍼지지 않아 유용하게 사용할 수 있다.

방사광 가속기에서는 전자총이 1초에 2000억개의 전자를 내보낸다. 이 전자들은 빛의 속도(초속 30만㎞)의 10분의1에 불과하지만, 가속관을 지나면서 빛 속도에 근접하게 된다. 이어 가속된 전자는 전자석이 설치된 구간을 통과하며 전자기파를 발생시킨다. 이 전자기파가 바로 방사광이다.

우리나라가 지난 1994년부터 운영하는 포항 방사광 가속기는 전세계적으로 12기밖에 없는 제3세대 방사광 가속기 중 하나이며 미국, 프랑스, 이탈리아, 타이완에 이어 5번째로 제작된 것이다.

성과로는 지난 2000년 세계 최초로 마이크로미터(1㎛=100만분의1m) 단위로 모기의 내부를 동영상 촬영했다. 이 기술을 발전시키면 뇌혈관이나 심장동맥혈관 등을 관찰할 수 있어 난치병 치료에 기여할 수 있다.

이에 앞서 지난 1998년에는 두께 130㎛, 지름 200㎛의 톱니바퀴 제작에도 성공했다. 이는 톱니바퀴 40개가 참깨 한 알에 들어갈 수 있는 크기로 방사광을 초미세 기계 가공에도 이용할 수 있다는 것을 보여줬다. 이를 발전시키면 세균보다 작은 구멍을 뚫어 세균을 걸러내는 세균 필터, 혈관 속으로 들어가는 초소형 의학 로봇 등의 제작이 가능하다.

●수소 경제를 앞당긴다

원자의 구성물질을 살피기 위해서는 우선 원자 크기인 0.1나노미터(1㎚=10억분의1m)보다 작은 파장의 빛이 필요하다. 제3세대 방사광 가속기의 경우 이같은 파장을 만들어낼 수 있지만, 문제는 빛의 밝기와 시간길이가 이를 따라가지 못한다는 데 있다. 사진을 찍을 때 어두운 곳에서는 더 많은 빛을 받아들이기 위해 플래시를 터뜨리고, 빠르게 움직이는 대상을 선명하게 찍기 위해 셔터의 속도를 빨리하는 원리와 유사하다.

이 때문에 제3세대보다 더 밝고 시간길이가 짧은 빛을 만들 수 있는 제4세대 방사광 가속기 건설사업이 추진되고 있다.

포스텍(포항공대) 고인수 가속기연구소장은 “제4세대는 제3세대보다 빛의 밝기가 최대 100억배 이상 밝다.”면서 “또 빛의 시간길이는 3세대의 수십 피코초(1ps=1조분의1초)에서 수십 펨토초(1fs=1000조분의 1초)로 줄일 수 있다.”고 설명했다.

제4세대가 실용화되면 물 분자를 구성하는 수소와 산소가 펨토초 단위로 붙었다 떨어지는 화학반응 과정을 관찰할 수 있다. 즉 수소를 에너지원으로 활용하는 ‘수소 경제’를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

또 세포의 세포막을 형성하는 단백질의 분자구조도 밝힐 수 있어 신약개발에도 응용이 가능하다.

예를 들어 암세포가 분화하면서 세포막을 뚫고 들어가는 과정을 확인한 뒤 이를 막는 방법을 찾을 수 있다.

고 소장은 “제4세대 방사광 가속기 건설을 위한 기술력은 대부분 확보됐으며, 현재 설계작업을 진행중”이라며 “오는 2009년까지 건설을 끝낸 뒤 2010년부터 본격적으로 운영할 계획”이라고 말했다.

●양성자 가속기

높은 전압 차이를 이용해 양성자를 고속으로 움직이게 만드는 장치가 양성자 가속기이다. 양성자는 양전하(+)를 가진 입자여서 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 되며 전압 차이가 클수록 그 속도가 빨라진다.

전압이 1억eV(전자볼트)일 경우 양성자가 초속 13만㎞의 속도를 낼 수 있다. 이는 납처럼 무거운 원소의 핵에 부딪쳐서 그 핵을 깨고 양성자와 중성자를 밖으로 튀어나오게 할 수 있는 에너지를 갖는다.10억eV(1기가 전자볼트)의 전압이면 양성자가 빛의 속도에 가깝게 되며, 이 경우 원자핵보다 작은 중간자나 중성미자 등의 미립자도 깨뜨릴 수 있다.

이처럼 가속된 양성자를 다른 물질에 충돌시키면 물질의 근본구조가 달라지게 되며 이러한 특성을 과학기술 및 산업분야에 응용할 수 있다. 현재 우리나라는 원전센터 부지선정과 함께 1억eV급 양성자 가속기 건설 계획을 추진하고 있다. 오는 2012년 완공을 목표로 하고 있다.

고 소장은 “양성자 가속기는 특정 물질의 성질을 향상시킬 수 있어 기초과학뿐만 아니라, 당장 산업적 파급효과도 크다.”면서 “성능이 향상될 경우 방사능 물질의 반감기를 수십만∼수백만년에서 수십∼수백년으로 앞당길 수 있어 방사성폐기물 처리에도 이용할 수 있을 것”이라고 내다봤다. 예를 들어 양성자빔을 타이어에 쏘이면 더욱 질겨져 내구성이 증가하게 된다. 이 때문에 양성자 가속기가 가동되면 연간 1조원 이상의 경제적 효과를 거둘 것으로 예상되고 있다.

또 국립암센터에서는 암치료용 양성자 가속기를 내년부터 활용할 예정이다. 이는 세포속 DNA를 파괴하는 양성자의 성질을 이용, 암을 외과적인 수술없이도 제거할 수 있다.

장세훈기자 shjang@seoul.co.kr