[설명환의 IT읽기] 슈퍼 현미경, '4세대 방사광가속기'

최영무 2016-11-01  
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'한 치의 오차도 없다'

정확하고 완벽하게 일을 처리했다는 의미다.

'한 치'는 약 3㎝인데, 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)'에게 한 치는 너무나 큰 오차다.

제4세대 방사광가속기는 아주 밝은 빛으로 사람이 눈으로 볼 수 없는 나노 크기의 미세한 물체를 선명하게 관찰할 수 있는 일종의 '슈퍼 현미경'이다.

우리나라가 세계에서 세 번째로 4세대 방사광가속기를 개발하며 인류의 진보를 향한 빛의 대장정을 시작했다.

세계 최초의 4세대 방사광가속기는 2009년 미국 에너지부와 스탠퍼드대가 운영하는 SLAC 국립가속기연구소가 제작한 LCLS다. 이후 2011년 일본 문부과학성과 이화학연구소가 만든 XFEL-SACLA가 두 번째다.

4세대 방사광가속기와 같은 첨단의 거대 연구시설은 최초 가속기 설계에서부터 토목, 건설, 전기, 공조, 기계가공, 극고진공, 초정밀측량, 전기, 전자, 제어 등에 이르기까지 거의 모든 과학기술 분야에서 세계 정상급이어야 만들 수 있다.

(사진설명: 2016년 9월 29일 포항공대에 준공한 4세대 방사광가속기. 출처=포항공대)

4세대 방사광가속기는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 전자가 강력한 자기장을 지나며 휘어질 때 방출되는 빛(방사광)을 얻어내며, 얻어진 방사광은 물체를 꿰뚫는 빛(XFEL)이 된다.

빛은 금속에서 나온 전자로 만들어진다.

전자총이 금속 표면에 엑스선 레이저를 발사하면 전자가 튀어나오면서 엑스선이 만들어지는데, 이 엑스선이 전자 궤도 2㎛(마이크로미터•1백만분의 1m=사람의 머리카락 굵기의 40분의 1 수준)의 정밀도를 유지하며 길이 710m의 가속장치를 거쳐 빛의 속도에 가깝게 빨라진 뒤 길이가 머리카락 굵기의 반 정도로 압축되면서 4세대 방사광이 만들어진다.

만들어진 빛은 번개가 치는 순간보다 수십억 배 빠르고 태양빛보다 100경(100조의 1만 배)배 밝은 빛으로 태양빛의 100억배 빛을 뿜는 3세대 가속기보다도 1억 배나 밝은 빛이다. 빛이 더 세다는 건 더 작은 세계를 밝게 볼 수 있다는 의미이다.

(사진설명: 녹색식물이 빛에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 유기물을 합성하는 순간. 출처=wikimedia.org)

관찰 시간의 한계도 극복했다.

3세대가 피코초(1조 분의 1초) 단위까지 관찰 가능했다면 4세대는 펨토초(1천조 분의 1초) 단위도 가능하다. 때문에 광합성 같이 빠르게 일어나는 현상도 슬로우 비디오처럼 자세히 볼 수 있다. 또 3세대는 결정 형태의 물질만 볼 수 있었지만 4세대는 관찰 시료가 결정 상태가 아니어도 볼 수 있고 물질의 움직임까지 관찰이 가능하다.

4세대 방사광가속기는 정밀도와 속도도 놀랍지만 규모 또한 상상 이상이다.

(사진설명: 건물 길이 1,110m의 바닥 높이 오차가 ±5㎜에 불과한 4세대 방사광가속기. 출처=포항공대)

경북 포항 지곡동 일대 연면적 3만6764㎡(약 1만1121평)에 길이 1,110m, 높이 3m로 건설된 국내 최대 길이의 단층 건물이다.

공사를 하면서 25톤 덤프트럭 13만 대 분량의 흙을 실어냈고 콘크리트 사용량은 30평 아파트 기준으로 4,500채 건설 분량이다. 인천공항 건설에 들어간 시멘트양보다 많다.

4세대 방사광가속기의 활용 분야는 무궁무진하다.

(사진설명: 미국의 제약회사인 파이저사가 개발한 남성 발기부전 치료제 비아그라(Viagra). 출처=media3.s-nbcnews.com)

발기부전 치료제 비아그라, 조류인플루엔자 치료제 타미플루 등은 방사광가속기를 활용해 산업 분야에서 성과를 올린 사례다.

현재 구조가 밝혀진 단백질은 전체의 5%에 불과하다.

4세대 방사광가속기는 바이러스 단백질이 세포막을 뚫고 들어가는 모습까지 관측할 수 있기 때문에 4세대 방사광가속기로 나머지 95%를 밝혀낸다면 비아그라와 타미플루를 능가하는 혁신적인 신약을 더 쉽게 만들 수 있다.

4세대 방사광가속기를 활용한 연구가 진행되면 물리, 화학, 생물 등 기초과학 영역에서 해결하지 못했던 난제들을 풀 수 있는 실마리를 제공함으로써 인류는 진일보할 것이다.

 

* 설명환 칼럼니스트

설명환 칼럼니스트는 반도체, IoT, 플랫폼 등 IT 분야에 대한 폭넓은 지식의 IT(정보기술)전문가다. 현재 세계 5위권 메모리카드 전문 제조기업의 커뮤니케이션팀장으로 재직하고 있다. 2010년부터 문화체육관광부 KOREPA 전문위원과 서울특별시교육청 운영위원으로 활동하며 청소년 진로교육에 대한 종합적인 조언과 강의를 해오고 있다. 이메일 pr1st@naver.com

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