방사광 가속기란 무엇일까? 어디에 사용되고 왜 필요한가? 그리고 정치적으로 사용되어도 되는걸까?

방사광 가속기라고 들어 보셨나요? 최근 뉴스에 차세대 방사광 가속기 유치 관련하여 정치적인 움직임과 엄청난 경제 효과를 가져올 방사광 가속기를 어느 도시에 배치해야 하는가에 대한 이야기가 많이 나와서 아마 한 번쯤은 들어 보셨을 것이라고 생각합니다.

 

<a href="https://www.freepik.com/free-photos-vectors/design">Design vector created by freepik - www.freepik.com</a>

 

방사광 가속기가 무엇이기에 수 조에 달하는 경제효과를 가져오고 또 현재 우리나라에 설치가 되어 있는지에 대해 소개해 보고자 합니다.

 

우리나라에는 포항공과대학교 이하 포스텍(POSTECH)에 3세대와 4세대 방사광 가속기가 설치되어 운영 중에 있습니다. 1996년부터 POSTECH에서 3세대 방사광 가속기가 설치되어 가동되어 왔으며 모양은 둥근 원형으로 제작되어 있습니다. 2016년에는 세계 3번째로 4세대 방사광 가속기를 설치하여 운영을 하고 있습니다.

 

방사광 가속기는 3세대가 처음으로 POSTECH에 설치가 되었습니다. 1, 2세대와 3세대간의 차이는 용도와 빛의 세기의 차이가 있었습니다. 1세대는 빛을 가속시키는 가속기가 있었는데, 방사광이 나오고 있음에도 그 상황을 모르다가 빛을 이용할 수 있음을 확인하여 가속기에 작게 빛을 이용하는 장치를 설치한 것이 1세대입니다. 2세대는 방사광 가속기로써 원형의 구조를 만들어 사용을 시작한 장치이고, 여기에 빛의 밝기를 백만 배 정도 더 밝게 구현한 것이 POSTECH에 설치된 3세대 방사광 가속기입니다.

 

가속된 전자가 자기장 속을 통과하면서 발생하는 빛 즉 방사광을 이용하는 가속기를 방사광 가속기라고 하고 있습니다. 잠깐 여담으로 기본 입자들에게 질량을 부여하는 힉스 메커니즘의 과정에서 생겨나는 소립자 힉스 입자도 입자 가속기를 이용한 실험을 통해서 존재가 입증이 되기도 했습니다.

 

방사광 가속기는 노벨상 제조기라고도 불릴 정도로 엄청난 장치입니다. 물리학뿐만이 아니라 화학, 생리학, 의학 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 노벨상의 과학분야의 약 20% 정도가 가속기를 사용한 연구결과라고 합니다.

 

조금 더 우리의 삶에 가까운 곳에서 사용된 내용을 보면, 2009년 신종플루의 치료제 개발을 위해 스탠포드 대학교 방사광 가속기를 활용한 신종플루의 단백질 구조 분석의 결과로 타미플루를 개발할 수 있었습니다. 애플과 반도체를 만들고 삼성과 경쟁하는 TSMC사도 방사광 가속기를 활용하여 반도체 분야 연구에 활용하고 있습니다. 이외에도 간질 유발 단백질, 치매 단백질 등 의약품 개발에도 방사광 가속기는 활용이 되고 있습니다.

 

방사광 가속기는 엄청나게 성능이 좋은 현미경이라고 이해하면 쉽습니다. POSTECH에 설치된 4세대 방사광 가속기는 태양의 빛 보다도 100경배 밝으며 1000조분의 1초로 10억분의 1m단위의 작은 물질을 분석할 수 있습니다. 경이라는 단어와 조 라는 단어가 눈에 들어옵니다. 정말 어마어마한 수치라는 것을 쉽게 느끼실 수 있으리라 생각됩니다.

 

엄청난 밝기와 엄청난 속도로 물질을 볼 수 있기 때문에 우리 몸 내에서 일어나는 분자나 원자의 움직임을 실시간으로 확인을 할 수 있게 됩니다. 엄청나게 작은 물질을 빠르게 보는 것이 무슨 도움이 되냐? 라고 생각할 수 있습니다. 이렇게 생각하면 쉽습니다. 특정 질환이 발생할 때 우리 세포 속에서 어떠한 움직임이 나타나는지, 어떤 단백질 구조를 바꾸었을 때 질병이 없어지는지 실시간으로 확인을 할 수만 있다면 매우 정확한 의약품 개발을 할 수 있게 될 것입니다.

 

의약품 뿐만이 아니라 반도체와 신소재, 부러지지 않지만 무게는 엄청나게 가벼운 물질, 저장 능력이 어마어마한 배터리 기술 등 새로운 구조를 개발하는 것에도 방사광 가속기는 도움을 줄 수 있습니다.

 

방사광 가속기의 원리는 간략하게 다음과 같습니다. 상대성 운동을 하는 가벼운 입자(전자)가 빛의 속도의 99.9%로 자기장 속을 통과하게 되면 로렌츠 힘을 받아서 휘어지게 되는데, 이 때 이동 방향의 궤도가 바뀌게 되면서 전자기파를 방출하게 됩니다. 이 파를 방사광 (synchrotron radiation) 이라고 합니다. 이 방사광을 이용하여 초정밀 미세 구조를 보는 현미경으로 활용할 수도 있고, 초정밀 칼로도 활용이 가능합니다. 자세한 가속기의 원리가 궁금하시다면 한국 핵융합 가속기 기술 진흥 협회, 포항공과대학교 가속기 연구소 홈페이지를 참고하시면 보다 자세한 원리를 아실 수 있습니다.

 

놀라운 것은 1994년 포항공대에 설치된 3세대 방사광 가속기는 순수 한국 과학기술로 만들어졌다는 것입니다. 자석은 포항공대 신소재공학과 교수님께서, 가속기 제어는 전자과와 물리학과 교수님께서 맡으셔서 해당 시설이 완공되었고 가속기 가동에 성공을 하였습니다. 당시 가속기 건설 경험이 없는 한국 연구진들이 해당 장치 개발 및 가동에 성공했다는 점에 대해 세계에서는 우리의 과학 기술력을 인정하였었습니다.

 

방사광 가속기는 R&D에 있어 꼭 필요한 장치입니다. 정치적으로 사용되거나 가속기 관련 주식으로 사용되는 점이 매우 안타깝게 느껴지는 상황입니다. 신종 코로나바이러스와 같은 향후 미래에 발생할 수도 있는 감영증에 대해 분석이 가능한 방사광 가속기가 R&D 개발에 좋은 지리적 위치에 유치가 된다면 이를 이용하여 빠르게 신약 개발이 이루어질 수 있을 것이라 생각됩니다.

 

(자료 출처는 POSTECH 홈페이지, KAFAT 홈페이지에서 발췌했습니다)