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테라헤르츠파(THz)는 100GHz에서 30THz 범위의 주파수를 갖는 전자기파로, 가시광선이나 적외선보다 파장이 길어 X선처럼 투과력이 강할 뿐 아니라 X선보다 에너지가 낮아 인체에 해를 입히지 않습니다.

이러한 특성으로 X-ray처럼 물체의 내부를 투과해 볼 수 있으며, 주파수 내에서 특정 영역을 흡수하기 때문에, X선으로는 탐지하지 못하는 우편물 등에 숨겨진 폭발물이나 마약을 찾아낼 수 있고, 가짜약도 판별해낼 수 있습니다.

또한, 분광정보를 통해 물질의 고유한 성질을 특별한 화학적 처리 없이 분석할 수 있어 인체에 손상이나 고통을 주지 않고도 상피암 등 피부 표면에 발생하는 질병을 효과적으로 즉시 확인할 수 있습니다.

이러한 특성을 이용해 휴대용 투시카메라나 소형 바이오 진단시스템 등 다양한 분야에 응용될 수 있기 때문에 테라헤르츠파는 광학계의 블루오션이라 불립니다.

그러나 출력이 부족해 바이오센서 등 다양한 분야의 상용화에 어려움이 있어 그동안 과학자들이 출력을 증폭시키기 위한 많은 노력들이 이어졌습니다.

KAIST 바이오 및 뇌 공학과 정기훈 교수팀은 광학나노안테나 기술을 접목해 테라헤르츠파의 출력을 기존보다 최대 3배 증폭시키는 데 성공했습니다.

테라헤르츠파는 펨토초(10의 -15승 초) 펄스레이저를 광전도 안테나가 형성된 반도체기판에 쪼여주면 피코초(10의 -12승 초) 펄스 광전류가 흐르면서 발생됩니다.

정 교수팀은 광전도안테나 사이에 금 나노막대로 구성된 광학나노안테나를 추가하고 구조를 최적화했습니다.

나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.

NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.


그 결과 광전도기판에 나노플라즈모닉 공명현상이 발생되면서 광전류 펄스가 집적도가 높아져 출력이 최대 3배까지 증폭됐습니다.

이에 따라 물체의 내부를 더욱 선명하게 볼 수 있을 뿐만 아니라 생검을 하지 않고도 좋은 영상과 함께 성분 분석이 가능해졌습니다.

이번에 개발한 원천기술을 테라헤르츠파 소자 소형화 기술과 결합해 내시경에 응용하면 상피암을 조기에 감지할 수 있고, 향후 바이오센서 시스템을 구축해 상용화도 가능할 전망입니다.

이번 연구는 바이오및뇌공학과 박상길 박사과정, 진경환 박사과정, 예종철 교수, 이민우 박사과정, 물리학과 안재욱 교수 등이 공동으로 수행했고, 연구결과는 나노분야 세계적 학술지 'ACS Nano' 3월호(27일자)에 게재됐습니다.

한편 2011년 총 8370만 달러의 시장규모를 기록한 테라헤르츠파 디바이스 시장은 오는 2016년에는 1만 2700만 달러 규모로 성장할 것으로 예측되며, 이후 시장의 다양화로 2021년까지 연평균 35%의 성장률을, 2021년에는 5만 7000만 달러의 시장규모를 형성할 것으로 예상되고 있습니다.

나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.


 

 용  어  설  명


테라헤르츠 파(Terahertz wave) :
100 GHz~30 THz의 주파수를 가지는 전자기파. 기가=109(십억), 테라=1012(일조)

광자공학 (Photonics) :
빛의 생성, 방출, 전송, 변조, 신호처리, 스위칭, 증폭, 탐지 및 감지를 포함하는 학문으로 입자(particle)로도 파(wave)로도 설명 할 수 없는 빛의 이중성을 광자로 표현한다.

유전물질 (dielectric material) :
전기장안에서 편극이 되지만 전기가 통하지 않는 절연체인 물질.
플라스틱, 섬유, 목재, 종이 등 생활속의 대부분의 물질이 이에 속한다.

나노플라즈모닉 현상 :
금속나노패턴은 빛이 입사될때 표면의 자유전자가 광자(photons)에 반응하여 진동하고, 입사되는 빛 중 공명파장에 해당하는 특정파장의 전기장세기를 크게 향상 시킬 수 있다.
이러한 물리적 현상은 다루는 나노광학분야를 나노플라즈모닉스라고 불리우며 다양한 응용분야가 최근 활발히 개발 중이다.

광학나노안테나 : 
광학나노안테나는 사람의 머리카락 지름보다 500분의 1보다 작은 금 나노막대안테나로 이루어져 있으며, 입사광에 의해 금 나노막대안테나 표면에서 전자들의 집단적 운동, 즉 나노플라즈모닉 현상에 의해 나노막대안테나 주변의 빛의 세기를 국소적으로 최대 100배 이상 집광이 가능하다.


 

 

□ 그림설명
그림1.나노안테나를갖는THz 발생기모식도 : 광학나노안테나에 의한 증가되는 테라헤르츠 파 출력의 가상도.

 

그림2. 나노안테나를갖는THz 발생기 전자현미경사진: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성소자의 전자현미경 이미지.


그림3. NP-PCA 개념도: 광학나노안테나가 집적된 테라헤르츠 생성 소자의 개념도. 테라헤르츠 광전도 안테나 사이의 집적된 광학나노안테나에 의해, 광전류 펄스를 생성하는 펨토초 광펄스의 세기가 기판 표면에서 증가한다. 이를 통해 기존 테라헤르츠 생성소자의 테라헤르츠 출력 파워를 증가 시킬 수 있다.

 

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일반적으로 생체물질이나 약물 등은 자신만의 독특한 광학 이성질체 구조를 가지는데, 이러한 입체적 구조의 특이성은 생명유지를 위해 필수불가결한 요소 중 하나입니다.

따라서 생명 메커니즘 규명을 위해 생체분자의 입체구조에 대한 분석 연구는 반드시 필요합니다.

그러나 광학 이성질체가 발생시키는 광학활성 신호의 세기는 아주 미세하여 빛의 작은 요동에도 큰 영향을 받기 때문에 기존 방법에서는 이를 펨토초(1조 분의 1초 이하) 시간영역에서 측정하는 것이 매우 어려운 일입니다.



■ 한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 조민행 교수 공동 연구팀이 생체물질 등 광학 이성질체의 입체구조를 극히 짧은 시간영역에서 분석할 수 있는 초감도 광학활성 측정기술을 개발했습니다.

이번 연구결과는 오직 단 하나의 펨토초(1조 분의 1초 이하) 레이저 펄스만으로 물질의 입체구조에 대한 분석이 가능함을 실험적으로 증명한 것으로, 생체물질에 대한 기존 측정원리의 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것입니다.

이번 연구성과를 통해 연구팀은 단 하나의 펨토초 레이저 펄스만으로도 미세한 광학활성 신호를 획득하는 것이 가능하다는 것을 성공적으로 보여주었습니다

또한 기존의 측정 방식인 두 종류의 서로 다른 빛을 사용하는 방식이 갖는 빛의 요동과 신호 정밀도, 느린 시간 분해능 문제를 근본적으로 해결했습니다.

이번 연구결과는 단백질, DNA 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응과 비대칭 촉매의 화학 반응 메커니즘 규명연구에 활용될 전망입니다.

또 고감도 신호분석을 이용한 고속 약물 스크리닝 연구 및 차세대 분광기기 개발에 활용하여 바이오 관련 산업분야의 발전도 기여할 전망입니다.
 
이번 연구결과는 물리학 분야의 저명 학술지인 Physical Review Letters誌(IF=7.621)에 2012년 3월 9일자 온라인판으로 발표되었습니다.
(논문명 : Single-Shot Electronic Optical Activity Interferometry : Power and Phase Fluctuation-Free Measurement)

입사광을 한번은 원형 좌편광 또 한번은 원형 우편광된 빛으로 만들어 둘의 흡수세기의 차이를 측정함. 빛의 요동에 큰 영향을 받음.

(a) 단일 펨토초 레이저 펄스에 의한 광학활성 측정장치 개략도 및 (b) 광학 이성질체 유기 분자에 대한 실험결과

 용  어  설  영

광학 이성질체 / 광학 활성 :
사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상이다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없다.
분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 한다.
그 이유는 이들이 빛에 대해 서로 상이한 특성을 가지기 때문이다.
즉, 광학 이성질체는 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 그 편광 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라 한다. 따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공한다.

펨토 초 레이저 :
펨토(femto)는 나노(nano), 피코(pico) 다음에 오는 단위로 펨토 초는 1000조 분의 1초를 말한다.
1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간이다.
분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어난다.
예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초다.
사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장한다. 
효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초, 수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초다.
펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저다.
펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있다.
깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있다.
바꿔 말해 펨토 초 만에 찍어 내는 카메라인 셈 이며 펄스를 연사하면 펨토 초라는 '찰나'의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지를 담은 '동영상'도 만들 수 있다.

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1아토초(AttoSecond)는 '100경 분의 1초' 입니다.

비교하자면, 우주의 나이인 137억 년을 1초라고 가정할 때 137억 년 : 1초 = 1초 : 1아토초 가 되는 셈입니다.

이렇게 짧은 순간인 아토초는 원자 내부에서 움직이는 전자의 움직임을 표현할 때나 사용 가능합니다.

그러나 이처럼 짧은 순간을 연구하는 이유는 원자 단위의 초고속 현상을 계측하고 이를 조절하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할수록 더욱 정교한 과학적 기반을 마련할 수 있기 때문입니다.

□ 자연계의 다양한 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 '아토'과학의 시대가 열렸습니다.

국내 연구진이 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정하는데 성공했습니다.

KAIST 남창희 교수팀은 아토초 펄스를 이용해 초고속 광이온화를 계측하는데 성공했습니다.

아토과학 연구를 위해 자체 개발한 실험 장치. 아래쪽의 긴 원통 부분은 광전자 에너지 스펙트럼 측정에 사용되는 고성능 전자분광기이다. 지구자기장의 영향을 없애기 위해 전자가 진공 속에서 진행하는 원통은 뮤메탈 판으로 싸여있다.



광이온화는 아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것입니다.

남 교수팀은 아토초 엑스선 펄스와 펨토초(1000조 분의 1초) 레이저 펄스를 이용해 헬륨 원자를 광이온화하고, 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 규명했습니다

아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 연구팀이 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구진의 결실입니다.

자체개발한 1 kHz 반복률의 고출력 펨토초 레이저. 펨토초 레이저 공진기부터 펄스 확장기, 2단의 증폭단, 펄스 압축기까지 자체 개발하였으며, 2009년에는 이를 추가적으로 펄스 압축하여 3.7 펨토초, 0.3 테라와트 출력을 얻어 세계적으로도 최고의 성능을 갖는 결과를 보였다.

고출력 펨토초 레이저 장치의 작동 모습



남 교수팀은 앞서 지난 2010년에 고차조화파를 이용해 세계에서 가장 짧은 60아토초 펄스 생성에 성공하기도 했습니다.

연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 이용해 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용해 헬륨 원자를 광이온화시켜 원자에서 발생하는 초고속 광이온화 현상을 계측했습니다.

이번 연구는 아토초 펄스를 이용해 시간적으로 매우 빠르게 변화하는 헬륨 원자의 상태를 정확히 측정한 것으로, 향후 이번 연구결과를 바탕으로 원자와 분자 내부에서 일어나는 초고속 현상을 계측하고 이를 이용해 원자와 분자의 상태를 조절하는 연구를 진행하는 등 자연계의 초고속 현상을 정확히 측정할 수 있는 기반을 마련했습니다.

이번 연구는 KAIST 남창희 교수가 주도하고 김경택 박사와 금오공대 최낙렬 교수 등이 참여했습니다.

연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 'Physical Review Letters'지 3월호(108권, 3월 2일자)에 게재되었습니다. (논문명: Amplitude and Phase Reconstruction of Electron Wave Packets for Probing Ultrafast Photoionization Dynamics)

  

남창희 교수, 고동혁 학생, 김경승 학생


 용  어  설  명

티타늄 사파이어 펨토초 레이저 (Ti:sapphire femtosecond laser) :
사파이어에 도핑된 티타늄을 이득 매질로 사용하여 발진되는 레이저로 이득 매질의 흡수영역과 방출영역이 매우 넓어서 시간폭이 펨토초 영역인 매우 짧은 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 넓은 스펙트럼 영역에서 방출된 레이저 빛을 모드잠금과 분산 보정 기술을 통해 수십에서 수 펨토초에 이르는 레이저 펄스를 생성할 수 있다.

고차조화파 :
강한 펨토초 레이저를 기체원자에 집속하여 발생된 연엑스선 영역에서 레이저의 특성을 닮은, 매우 짧은 펄스폭을 가지는 우수한 연엑스선 광원

고차조화파 광원 (high - harmonic light source) :
고출력 펨토초 레이저와 기체 원자와의 상호 작용을 통해 발생되는 연엑스선 광원이다. 강력한 레이저장을 통해 이온화된 전자가 이온과 재결합함으로써 넓은 스펙트럼을 갖는 결맞는 엑스선이 발생된다. 이와 같은 연엑스선 발생 현상이 레이저장의 반주기마다 반복되기 때문에 구동레이저의 홀수배에 해당하는 연엑스선 성분만 강하게 남아 고차조화파의 특징인 빗살 모양의 스펙트럼이 나타난다.

아토초 고차조화파 펄스 (attosecond high-harmonic pulse) :
기체 원자와 극초단 고출력 펨토초 레이저 펄스와의 상호 작용으로 발생하는 고차조화파는 연엑스선 영역에서 넓은 스펙트럼을 갖는 광원이기 때문에 시간적으로 아토초에 해당하는 극초단 펄스를 생성할 수 있다. 다 주기 레이저 펄스에서 발생된 고차조화파는 주로 아토초 펄스열을 형성하나 시간 게이팅 방법을 도입하여 단일 아토초 펄스로 생성할 수 있다.

광이온화 :
아토초 영역에서 레이저나 연엑스선(의료용 엑스선보다는 약간 파장이 긴 엑스선)을 광원으로 원자를 이온화한 것. 

Physical Review Letters :
물리학 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 물리학 전반에 걸쳐 최첨단 선도 연구 과제 중 가장 우수한 결과를 세계 학계에 널리 빠르게 알려기 위한 목적으로 미국 물리학회에서 발행하는 학술지. (2010 SCI 피인용지수 : 7.621)

<연 구 개 요>

자연계의 초고속 현상을 측정하기 위해서는 그 현상이 일어나는 시간보다 더 짧은 측정수단이 필요하다.
최근 눈부시게 발전한 레이저 기술 덕택으로 매우 짧은 레이저 펄스 생성이 가능해졌다.
빛에너지를 저장하였다가 매우 짧은 시간 동안 방출하는 여러 가지 기술이 개발되어 나노초 (10의 -9승 초), 피코초 (10의 -12승 초), 펨토초 (10의 -15승 초)의 레이저 펄스를 만들 수 있다.
빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있으나, 1 나노초는 이 시간 동안 빛이 단지 30 cm를 진행할 수 있는 매우 짧은 시간이다.
1 피코초는 1 나노초의 천분의 일초이며, 1 펨토초는 1 피코초의 천분의 일초인 지극히 짧은 시간이다.
피코초나 펨토초 레이저의 등장은 피코초나 펨토초 시간 영역에서 발생하는 물리나 화학적 현상을 분석하는 데 큰 기여를 하였으며, 1999년 노벨화학상은 펨토화학 분야의 선구자인 캘리포니아 공대의 즈웨일 교수에게 수여되었다. 
  
펨토초 레이저를 이용하여 이제는 펨토초의 천분의 일초인 아토초 (10의 -18승 초) 펄스 발생도 가능케 되었다.
아토초 펄스를 만들기 위해서 강한 펨토초 레이저를 원자에 집속하고 이때 발생하는 엑스선 영역의 고차조화파를 이용한다.
이 고차조화파는 주파수폭이 굉장히 넓기 때문에 이를 이용하여 아토초 펄스를 만들 수 있다.
남 교수팀은 고차조화파를 이용한 아토초 펄스 발생에서 세계에서 가장 짧은 60 아토초 펄스를 생성하여 2010년 보고한 바 있다. 아토초 광원이 등장함에 따라 이제는 펨토초보다 더 짧은 아토초 영역의 초고속 현상을 분석할 수 있는 "아토과학"의 시대가 되었다. 예를 들어, 전자가 수소원자를 한 바퀴 공전하는 주기는 150 아토초에 불과하다.
이러한 자연현상에 대한 연구를 위해 더욱더 짧은 펄스를 만들기 위한 노력은 계속되어 왔고, 이를 이용하여 초고속 현상을 연구하는 아토 과학은 최근 뜨거운 관심을 받고 있다. 
 
KAIST의 남창희 교수팀은 아토초 펄스를 이용하여 원자의 초고속 광이온화를 계측하는 데 성공하였다.
레이저나 연엑스선 광원으로 원자를 이온화할 때 나타나는 광이온화 현상은 아토초 영역에서 일어나는 매우 빠른 현상이다. 본 연구에서는 아토초 펄스와 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 헬륨 원자를 광이온화하고 이 때 발생한 전자의 파속을 측정하여 초고속 광이온화 과정을 규명하였다.
아토초 펄스를 이용한 원자의 초고속 광이온화 계측은 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능의 광전자 계측장비에 의해 수행된 순수 국내 연구의 결실이다.
 
본 연구에서는 고출력 펨토초 레이저를 이용하여 아르곤 기체에서 아토초 고차조화파 펄스를 생성하고, 이를 이용하여 헬륨 원자를 광이온화 시켜 원자에서 일어나는 초고속 광이온화 현상을 계측하였다.

<남창희 교수>

 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 카이스트 물리학과 교수

2. 학력
  ○ 1977 : 서울대학교  학사 (핵공학)
  ○ 1979 : 카이스트 석사 (물리학 )
  ○ 1988 :  프린스턴 대학 박사 (플라즈마 물리)
 
3. 경력사항
○ 1989 ~ 현재 : 카이스트 물리학과 교수
○ 1988 ~ 1989 : Princeton Plasma Physics Laboratory, Staff Research Physicist
○ 1979 ~ 1982 : 부산대학교 기계공학과, 전임강사
○ 1999 ~ 현재 : 교육과학기술부?한국연구재단 창의연구단, 도약연구단 단장

4. 주요연구업적
1. Kyung Taec Kim, Dong Hyuk Ko, Juyun Park, Nark Nyul Choi, Chul Min Kim, Kenichi. L. Ishikawa, Jongmin Lee, and Chang Hee Nam,
"Amplitude and phase reconstruction of electron wave packets for probing ultrafast photoionization dynamics," Phys. Rev. Lett. (accepted on Jan. 8, 2012).
2. Kyung Taec Kim, Kyung Sik Kang, Mi Na Park, Tayyab Imran, G. Umesh, and Chang Hee Nam,
"Self-Compression of Attosecond High-order Harmonic Pulses," Phys. Rev. Lett. 99, 223904 (2007).
3. I Jong Kim, Chul Min Kim, Hyung Taek Kim, Gae Hwang Lee, Yong Soo Lee, Ju Yun Park and Chang Hee Nam,
"Highly efficient high-harmonic generation in an orthogonally polarized two-color laser field," Phys. Rev. Lett. 94, 243901 (2005).
4. D. G. Lee, J.?H. Kim, K. H. Hong, and Chang Hee Nam,
"Coherent control of high-order harmonics with chirped femtosecond laser pulses," Phys. Rev. Lett. 87, 243902 (2001).
5. Hyun Joon Shin, Dong Gun Lee, Yong Ho Cha, Kyung Han Hong, and Chang Hee Nam,
"Generation of Nonadiabatic Blueshift of High Harmonics in an Intense Femtosecond Laser Field," Phys. Rev. Lett. 83, 2544-2547 (1999).
6. Dong Hyuk Ko, Kyung Taec Kim, Juyun Park, Jae-hwan Lee and Chang Hee Nam,
"Attosecond chirp compensation over broadband high-order harmonics to generate near transform-limited 63-as pulses," New J. Phys. 12, 063008 (2010).
7. J. Park, J.-h. Lee, and Chang Hee Nam,
 "Generation of 1.5-cycle 0.3-TW laser pulses using a hollow-fiber pulse compressor," Opt.   Lett. 34, 2342 (2009).

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양자빔 기반 방사선은 첨단 가속기와및 극초단 레이저 기술에 기반한 극초단, 고휘도, 단색, 편극, 고출력의 특성을 가진 새로운 X-선이나 T-선, 또는 이들을 동시에 동기화시켜서 활용하는 방사선입니다.

이를 통해 나노미터급 공간 분해능과 펨토초 시간 분해능으로 원자, 분자, 거대 생체 분자의 구조를 미세하게 제어하는 동시에 구조 분석도 수행할 수 있습니다.

또 신소재, 고감도 계측, 비파괴 검사 등 원자력 분야와 바이오 메디컬, 반도체, 보안 검색 등에서 새로운 도구로 각광 받고 있습니다.

한국원자력연구원은 지난 9월 23일 본원 국제원자력교육훈련센터(INTEC)에  '양자빔 기반 방사선 연구센터'를 개소했습니다.

'양자빔 기반 방사선 연구센터'는 지난 5월 세계 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)로 신규 선정된 바 있습니다.

'양자빔 기반 방사선 연구센터'는 첨단 가속기와 레이저 기술의 융합 기술 개발을 통해 세계 최초로 소형 극초단 엑스선/테라헤르츠 동시 발생장치 관련 원천기술을 확보할 예정입니다.

이는 향후 원전 사고시 세슘·요오드 등의 방사성 기체 고감도 모니터링, 난치성 질환 치료를 위한 생체 물질 발생 및 변환 메커니즘 규명과 함께 프라이버시 침해 없는 공항·항만용 전신 검색 기술 개발, 테라헤르츠 의료영상 신기술 개발 등의 분야에 사용될 수 있습니다.

센터장은 러시아 부드커핵물리연구소의 고출력 테라헤르츠 자유전자레이저 센터장으로 활동 중인 니콜라이 비노쿠로프(Nikolay A. Vinokurov) 박사가 맡았습니다.

니콜라이 박사는 가속기물리 및 방사선 분야에서 세계 최고 수준의 이론과 실증 연구 능력을 겸비한 세계적 석학으로, 세계 최초로 방사광 가속기 핵심장치의 표준 모형을 개발했고, 이는 현재 전세계 모든 3·4세대 방사광 가속기에서 사용되고 있습니다.

한편  WCI 사업은 정부출연연구기관의 글로벌 경쟁력 제고를 위해 세계 수준의 국내외 우수 연구자를 초빙, 출연연과 공동 연구를 수행하는 개방형 연구체제를 구축해서 세계 수준의 핵심 원천기술을 개발하는 사업으로, 현재 WCI 사업은 한국원자력연구원의 '양자빔 기반 방사선 연구 센터'와  한국생명공학연구원의 'Kinomics 기반 항암 연구센터', 한국과학기술연구원의 '기능 커넥토믹스 센터', 국가핵융합연구소의 '핵융합 이론 센터' 등 4개가 운영되고 있습니다.
WCI 사업에는 2009년부터 2013년까지 5년 동안 총 600억 원이 투자될 계획입니다.

<양자빔 기반 방사선 연구센터 현황>

□ 과제 개요
 ○ 센터명 : 양자빔기반 방사선연구 WCI센터
 ○ 참여 연구원 : 총 13명(해외 연구원 5명, 국내 연구원 8명)
   - 러시아, 미국, 일본 등 해외 연구원 + 원자력연, 서울대, KAIST 등 국내 연구원
 ○ 추진 체계
   - 세계 최초로 방사광 가속기 표준모형을 개발한 러시아 과학자 Nikolay A. Vinokurov를 유치
   - 원자력(연) 및 서울대, KAIST 등 국내 동 분야 연구원들과 국제 공동연구 추진

□ 세부 연구내용
 ○ 첨단 가속기 핵심 기술 및 레이저 가속 기술과의 핵심 융합기술 개발
   - 신개념 교번자장기 개발(방사선 발생 주요 장치)
   - 레이저 가속 전자빔을 이용한 초소형 저장링 입사 기술 개발
 ○ 첨단, 극한 특성의 방사선 발생 및 이용 기술 개발
   - 극초단/고휘도 엑스선, 테라헤르츠 발생 기술 개발
   - 극한 방사선 이용 펌프-프로브 장치 및 기술 개발
 ○ 극한 방사선 이용 원자력/바이오/신소재 분야 응용 기술 개발
   - 세슘, 요오드 등 방사성 물질 기체의 분광 분석 및 고화 기술
   - 원자력 신소재 물성 및 바이오 물성 분석 기술
   - 테라헤르츠 실시간 의료 영상 기술
 ○ 신진 원자력 전문 인력 양성 및 글로벌 공동 연구 네트워크 구축
   - 년 4회 단기 강좌 개설 및 년 2회 국제 워크샵 개최 UST, KAIST 등과 연계)

□ 연구 기대효과
 ○ 세계 최초로 소형 고강도 엑스선/테라헤르츠 동시 발생장치 원천기술 확보
 ○ 프라이버시 침해 없는 공항/항만용 對테러 전신검색기 신기술 개발
 ○ 유해 방사성기체(세슘, 요오드 등) 고감도 모니터링 및 제거기술 개발
 ○ 난치성 질환치료를 위한 생체물질 발생 및 변환 메카니즘 규명


  <WCI 센터 설치 현황>

센터명

[설치기관]

기능 커넥토믹스센터

[KIST]

KINOMICS 기반
항암 연구센터

[생명연]

핵융합 이론센터

[핵융합연]

센터장

죠지 어거스틴(미국)

(George J. Augustine)

레이몬드 에릭슨(미국)

(Raymond Leo Erikson)

패트릭 다이아몬드(미국)

(Patrick H. Diamond)

센터장

약 력

▪미국DukeUniversity 신경생물학과 교수

Nature․Cell․Science 및 국제 저널에 100편 논문 발표

▪*유전학 연구분야의 세계적 대가

베스트셀러 신경과학 교과서 저자

 

미국 Harvard University **자세포생물학과 교수

Nature․Cell․Science 등 국제 저널에 160여편 논문 발표

연구에서 신호전달체계 최초 발견자

노벨상의 전초인 Lasker Award등 6건의 세계적인 상 수상

미국 UCSD(샌디에고대학) 물리학과 교수

▪SCI급 논문 300여편 이상 발표

핵융합분야에서 세계최고 수준의 기술보유 및 네트워크유지

국 NSF의 Presidential Young Investigator Award수상

연구

목표

뇌 기능적 회로규명을 통한 뇌질환 원인규명 및 치료기술개발

 

미생물․약용식물을 이용한 신개념의 천연 신항암 후보물질 및 *** Peptidomimentics 발굴

핵융합 플라즈마 난류 및 이상 수송현상 규명과 성능의 정량적 예측

 

연구인력

총 46명(해외20,국내26)

총 16명(해외8,국내8)

총 17명(해외7,국내10)

‘10년 연구비

63억원

30억원

27억원

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<전문>

2011년 토끼의 해인 신묘년 (辛卯年) 새해가 밝았습니다.
지난해 신년사를 통해 호랑이처럼 용맹스럽게 달려가겠다던 말씀을 드렸던 것이 엊그제 같은데, 벌써 1년이 지나고 새로운 한해를 맞는 인사말씀을 드리게 됐습니다.
지난해 우리 과학기술계는 염원하던 국가연구개발의 컨트롤 타워를 세울 수 있는 계기를 얻었습니다. 정부는 비상임 위원회였던 국가과학기술위원회를 행정실무 위원회로 개편하는 것을 구상해, 최근 법안 통과 후 실질적인 추진이 진행되는 것으로 알고 있습니다.
 또한 G-20정상회의의 성공적인 개최로 우리의 국격을 한 단계 높이는 성과를 얻기도 했습니다. 다만 천안함 사태와 연평도 포격 등과 같은 예상치 못한 사건들로 인한 피해들에 대해서는 아쉬움을 금할 수 없습니다.

올해 기초(연)은 고유 미션인 '기초과학 진흥'을 실현하기 위해  국가 연구장비 대표기관, 분석과학 선도기관, 기초과학연구 거점기관이라는 3대 발전목표를 지난해에 이어 보다 강화해 나갈 것입니다.
'국가 연구장비 대표기관'으로서의 입지를 보다 탄탄히 하기 위해 올해부터 단계적으로 약 600억원을 투자해  '연구용 휴먼 MRI 설치' '융복합 in-situ 나노 분석시스템' '슈퍼바이오 전자현미경' 등을 도입해 나갈 계획입니다. 특히 '슈퍼바이오 전자현미경'은 세계최고의 의생물 전용 첨단 전자현미경으로, 올해부터 5년에 걸쳐 구축하게 됩니다. 분해능 0.12 nm(나노미터, 1 nm=10억분의 1 m)를 구현함으로써 나노-바이오 융합연구 및 뇌과학 연구 등에 핵심장비로 활용될 전망입니다.
7 테슬라급의 연구용 휴먼 MRI는 고해상도의 MRI 영상을 제공해 뇌  연구를 비롯 각종 의과학 연구에 획기적인 변화를 이끌 것으로 기대됩니다. 또한 융복합 in-situ 나노 분석시스템은 미래형 나노물질 분석 및 개발 연구에 필수적인 물리, 화학적 기초연구정보를 제공하게 됩니다. 새롭게 구축되는 첨단 연구장비와 더불어 함께 개발될 새로운 분석법은 이제까지 보지 못했던 새로운 세상을 향한 비밀의 문을 열게 하는 열쇠가 될 것입니다.
이밖에도 기초(연)은 지난해 펨토초 다차원 분광기를 성공적으로 개발한데 이어, 비파괴 분석 등 다양한 물질분석에 활용되는   'ECR 이온원을 이용한 입자빔 가속장치'와 반도체 및 기타 정보소자 결함분석 등에 활용될 '초정밀 열영상 현미경' 등 연구장비의 직접 개발도 계획에 맞춰 안정적으로 추진하고 있습니다.
기초(연)의 '국가연구시설장비진흥센터'는 국가 R&D 연구장비 예산심의 지원을 통해 지난 4년간 약 445억원의 국가예산을 절감하였고, 향후 지원시스템을 고도화하여, 국가 R&D 예산 절감에 더욱 기여할 것입니다. 또한 '대형연구시설구축 로드맵' 제작을 완료해 올해부터 오는 2025년까지 15년간 국가차원에서 건설하거나 업그레이드할 69개 대형 연구시설 도출을 완료하는 등 국가 연구장비 대표기관으로서의 위상을 한층 강화하게 됐습니다.

충남대와 공동으로 운영중인 '분석과학기술대학원(GRAST)'을 통한 분석과학기술 분야의 인재양성이 올해부터는 결실을 맺어갈 것으로 예상됩니다. 현재 GRAST는 교수 인력을 27명으로 확충했고, 학생수도 석사과정 42명, 박사과정 8명으로 크게 확대했습니다. 또한 분석과학기술을 국내외에 알리는 SCI급 학술지로 육성중인 분석과학기술 학술지 JAST는 지난해 말 제 2호를 출간하는 등 계획에 맞춘 순탄한 출발을 보이고 있습니다.
이처럼 기초(연)의 분석과학 능력 향상과 GRAST를 통한 인재양성이 씨실과 날실처럼 엮여가며 '분석과학 선도기관'이라는 이름에 걸맞는 성과물이 나올 것으로 기대됩니다.

현대 과학기술이 '연구장비의 전쟁'으로 불리울 만큼 연구장비에 대한 의존도가 높아지고 있으며, 우리 과학기술계는 단일 연구에서 다학제간 융?복합 연구로, 추격형 연구에서 선도형 연구로의 변화 요구에 직면하고 있습니다. 이러한 요구들의 귀결점은 바로 응용 및 개발연구에서 기초과학 및 원천기술 개발로의 방향 정립을 요구하는 것입니다. 이러한 요구들에 발맞춰 기초(연)은 국내외 우수연구자들과 함께 '방문연구자 지원', '산학연공동연구', '국제공동연구' 등 열린 경영을 통해 '기초과학연구 거점기관' 이라는 발전목표를 완성해 나갈 것입니다.

새해에는 기초(연) 전직원을 포함해 과학기술계에 종사하는 모든 분들이 위축됐던 가슴을 펴고, 자신이 과학자라는 것을, 그리고 국가의 연구개발을 책임지는 정부 출연(연)의 직원이라는 것을 자랑스럽게 말할 수 있는 한 해가 되기를 간절히 기원합니다. 지난해 호랑이의 용맹함으로 달려왔다면 올해는 토끼처럼 조용히 내실을 다지고, 연구개발과 출연(연)의 위상강화라는 측면에서 튼실한 결실을 얻을 수 있는 한해가 되기를 바랍니다.
올 한해 원하시는 큰 뜻을 이루시기를 바라며, 여러분의 건강과 행복을 기원합니다.

2011년 1월 3일
한국기초과학지원연구원장 박 준 택

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