우리얘기

'ECR 이온원'은 강한 자장 속에 플라즈마를 가두고 고주파 전자공명 현상을 통해 전자들을 집중 가열함으로써 전자의 온도를 수십 keV (수억 도) 이상으로 높여 원자를 '다가이온'으로 만든 뒤 이를 선별적으로 추출해서 가속기에 공급해주는 장치입니다.

이는 가속기의 규모를 크게 늘리지 않고도 가속 에너지를 획기적으로 높일 수 있기 때문에 중이온 가속기의 성능을 좌우하는 핵심 부품 중 하나입니다.

한국원자력연구원은 중입자 가속기와 중이온 가속기에 필수적인 중이온 다가이온 빔을 발생시킬 수 있는 '마이크로파 전자 공명(ECR; Electron cyclotron resonance) 이온원'을 개발하고 다가이온 빔을 인출하는 데 성공했습니다.

원자력연구원이 개발한 14.5 GHz 전자공명 이온원 본체 구성도

부산 기장에 건설될 의료용 중입자 가속기는 물론 국제과학비즈니스벨트의 핵심 연구시설이 될 중이온 가속기 구축에도 직접 적용될 수 있는 핵심 원천기술을 확보한 것입니다.

오병훈 박사

한국원자력연구원 핵융합공학기술개발부 오병훈 박사팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 지난 2007년부터 4년간 18억 원을 들여 수행한 '초전도 사이클로트론용 ECR 이온원 개발' 과제를 통해 'ECR 이온원'을 자체 설계와 제작을 통해 개발하고 성능 검증을 마쳤습니다.

오병훈 박사팀은 '차세대 초전도 핵융합연구장치(KSTAR)'의 플라즈마 가열을 위한 '중성입자빔 가열장치' 및 '고주파 가열장치' 개발을 통해 축적한 기술력을 바탕으로, 통상적인 '방전 플라즈마'를 통해서는 얻어낼 수 없는 다가이온 빔을 높은 전류로 만들어낼 수 있는 'ECR 이온원'을 순수 국내 기술로 개발한 것입니다.

'ECR 이온원'은 2015년 완성을 목표로 한국원자력의학원을 중심으로 순수 국내 기술로 개발 중인 의료용 초전도 중입자 가속기의 핵심 부품이며, 향후 국제과학비즈니스벨트에 들어설 중이온 가속기 구축에도 직접 활용될 것으로 기대됩니다.

특히 외국에서 개발한 동일 기종보다 더 강력한 자장 구조를 만들어 내기 위해 전자석과 영구자석 등 복잡한 자석들의 구조를 최적화해 배치, 다가이온 발생 영역을 효과적으로 제어할 수 있는 자장 구조를 구현했습니다.

이를 위해 특수 플라즈마 용기를 이용해서 높은 효율로 플라즈마를 만들어내고, 14.5㎓의 마이크로파를 주입해서 공명 현상에 의한 전자가열로 원자의 외곽에 있는 전자 뿐 아니라 원자의 내각에 위치한 전자들까지 궤도에서 떨어져 나간 상태의 다가이온을 생성시켜 20~30 keV의 고전압을 걸어 다가이온 빔을 인출하고, 이 중 필요로 하는 다가이온만 선택적으로 골라내서 가속부에 전달할 수 있도록 하는 'ECR 이온원'을 설계 제작하고 실험을 통해 이를 검증했습니다.

헬륨 가스에 의한 다가이온빔 인출 및 질량분석 결과

완성된 'ECR 이온원'은 의료용 중입자 가속기가 요구하는 C+6 이온(탄소 원자 한 개에서 전자가 6개 떨어져 나온 다가이온)의 인출을 최대 20㎂까지 인출할 수 있도록 장치를 안정화한 뒤 중입자 가속기에 적용할 계획입니다.

이번 'ECR 이온원' 개발을 통해 확보한 기술은 중이온 가속기의 이온원을 설계 제작하는 데 직접 적용 가능할 뿐 아니라, 반도체 생산 공정과 나노 공정 등 다양한 분야에 활용이 가능합니다.

이번에 개발한 'ECR 이온원'은 중이온 가속기가 최종적으로 요구하는 성능과는 아직 거리가 있지만 일부 실험이 가능한 수의 우라늄 다가이온을 충분히 만들어낼 수 있는 성능을 갖춰, 초기 중이온 가속기 실험에는 직접 투입될 수 있을 것으로 보입니다.

 용  어  설  명 

중성입자빔 가열장치, 고주파 가열장치 : 토카막의 플라즈마를 핵융합이 가능한 초고온(1억도 이상)으로 가열하기 위한 중성입자빔 또는 고주파를 플라즈마에 입사시켜 플라즈마 내의 전자 또는 이온의 온도를 높이는 장치

중이온 가속기 : 수소에서 우라늄까지 다양한 원소들을 높은 에너지로 가속시켜 다른 원자의 핵에 충돌시키는 과정 등을 통해 원자 이하 크기인 펨토 미터(1천 조 분의 1 미터) 세계를 연구하는 거대 과학 장비. 원자핵이나 소립자(물질의 가장 작은 단위)를 관찰하거나 새로운 입자를 만들어낼 수 있음

중입자 가속기 : 중이온 가속기의 일종으로, 탄소 이온을 빛의 속도의 70%로 가속한 뒤 환자의 몸 속으로 보내 암세포를 파괴하는 첨단 의료 장비. 주변 세포나 조직의 손상을 최소화하고 암세포와 같은 특정 세포만 선택적으로 사멸시킬 수 있어 꿈의 암 치료기로 불림

다가이온(multi-charged ion) : 전자가 2개 이상 떨어져 나간 이온 상태. 같은 이온이라도 전자를 더 많이 떼어낸 것이 더 강한 +극을 띠므로 낮은 전압에도 더 빨리 가속이 된다. 높은 수의 다가이온을 만들어내기 위해서는 높은 온도의 전자들이 필요함

펨토 초는 1조 분의 1초라는 상상도 할 수 없는 짧은 시간입니다.

1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간입니다.

분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어납니다.

예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초입니다.

사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장합니다.

또 효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초,
수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초입니다.

펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저입니다.

펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있습니다.

깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있습니다.

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 있는 것입니다.

이 펨토 초 레이저를 이용해 생체분자의 3차원 입체 구조를 분석하는 데 유용한 극초고속 광학 이성질체 측정법과 계산법이 최근 국내 연구진에 의해 개발됐습니다.

자연계에 존재하는 대부분의 생체 물질이나 합성 신약들은 광학 이성질체로 되어 있습니다.

광학 이성질체가 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛과 차등 상호작용하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는 광학활성

따라서 새로운 신약의 생체 반응의 특성을 이해하기 위해서는 3차원 광학 이성질체 구조를 분석 측정하는 기술이 대단히 중요합니다.

특히, 생체반응 중 수반되는 분자의 빠른 구조 변화를 관찰하기 위해서는 초고속 시분해능이 겸비된 구조 분석 장비가 필요합니다.



그런데 기존의 분석 방법들은 근본적인 측정 원리의 한계로 인해 시분해능이 길게는 수 시간에 달하는데, 이는 분자들의 움직임에 비해 무한히 느린 시간입니다.

한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 화학과 조민행 교수팀은 최근 공동으로 생체분자의 3차원 입체 구조를 1조 분의 1초 시분해능으로 관찰할 수 있는 펨토 초 광학 이성질체 측정법 개발에 성공했습니다.

이한주 박사

조민행 교수

이는 실험적 측면에서 기존의 극미세 신호 및 시분해능 한계를 독창적인 방식으로 극복했다는데 그 의의가 있습니다.

또한 이론⋅계산적 측면에서 분자역학 시뮬레이션 기법을 활용한 새로운 시간 상관 계산법을 개발하였으며, 실험과의 정량적 일치를 통해 방법의 타당성을 입증했습니다. 

연구진은 이번 연구 성과를 바탕으로 현재 적절한 들뜸-탐침 방법을 연동해 생체 시스템에서 일어나는 다양한 생체분자의 구조 다이나믹스 연구를 진행할 예정입니다.

이번 연구가 지속된다면, 앞으로 단백질 접힘-펴짐 현상이나 DNA-단백질 결합 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응 및 비대칭 화합물들의 화학 반응의 메커니즘을 밝히는데 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

또 의약(high-throughput screening) 및 재료과학에도 널리 사용될 전망입니다.

이번 연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)에서 발간하는 Accounts of Chemical Research 지(IF=18.203) 학술지에는 12월 21일에 게재될 예정입니다.
(논문명 : Infrared Optical Activity : Electric Field Approaches in Time Domain)



*용어설명*

□ 광학 이성질체 / 광학 활성 

사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상입니다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없습니다.

분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 합니다.

그 이유는 이들이 광학적으로 서로 다른 특성을 가지기 때문입니다.
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 활성이라고 합니다.

따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공합니다.


□ 분자역학 시뮬레이션 / 시간 상관 계산법

실험에서 측정된 분광 스펙트럼으로부터 분자의 구조 정보를 얻기 위해서는 분자 계산을 통한 비교 분석이 필수적입니다.

그런데 기존의 계산법에서는 기체상의 분자에 대해 양자역학적 계산을 수행하기 때문에 용매 분자(용질 분자를 둘러싸고 있는 분자)의 영향이 고려되기 힘듭니다.

반면, 분자역학 시뮬레이션을 이용한 시간 상관 계산법에서는 용매 분자와 용질 분자 사이의 상호작용이 고려된 분자들의 궤적을 펨토 초 단위로 계산한 후 광학 활성과 관련된 물리량들의 시간 상관 함수로부터 스펙트럼을 획득합니다.