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반짝~! 빛을 만들어내는 포항 가속기연구소

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2016년 02월 26일 15:00 프린트하기

끝이 보이지 않는 건물 안, 기계들이 줄을 지어 서 있는 곳. 이곳은 바로 ‘반짝~!’ 하는 빛을 만들어내는 빛 공장, 포항 가속기연구소예요. 도대체 어떻게 빛을 만든다는 걸까요? 그리고 이 빛은 어디에 쓰는 걸까요? 여러분의 궁금증을 해결하기 위해 <어린이과학동아> 기자단 친구들이 나섰어요. 함께 포항 가속기연구소로 가 볼까요?

 

신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

1.1km짜리 광선총이 있다?!


포항 가속기연구소 입구에서 차를 타고 5분쯤 가자 저 멀리 기다란 건물이 나타났어요. 그곳이 바로 기자단 친구들이 살펴볼 ‘4세대 방사광가속기’가 있는 건물이었지요. 방사광가속기는 전자를 빛의 속도로 움직여 그때 생기는 에너지를 빛에너지로 바꾸는 장치예요. 영화 <스타워즈>에 등장하는 광선총처럼 엑스선 레이저를 내보내는 장치인 셈이죠. 방사광가속기는 이때 나오는 빛에너지로 물질의 원자나 분자 단위 구조를 분석한답니다.

가속기의 시작부에서 전자를 쏘는 전자총. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
가속기의 시작부에서 전자를 쏘는 전자총. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

포항 가속기연구소는 1995년부터 3세대 방사광가속기를 사용했답니다. 그러다 2013년 5월부터 빛의 효율이 더 좋은 4세대 방사광가속기를 만들기 시작했어요. 지금 4세대 방사광가속기는 본격적인 운전을 시작하지 않은 상태로, 이번에 <어린이과학동아> 기자단 친구들이 학생으로서는 최초로 방문한 거예요.

3세대 방사광가속기에만 있는 저장링 구조. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
3세대 방사광가속기에만 있는 저장링 구조. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

“아주 작은 전자를 움직여 강한 엑스선을 만들어낸다는 게 무슨 뜻이에요?”


기자단 친구들이 아리송한 표정을 짓자 강흥식 박사님께서 설명을 해 주셨어요.


“아인슈타인의 특수상대성이론을 보면 ‘E=mc2’라는 공식이 나와요. 어떤 물체가 갖는 에너지는 그 물체의 질량(m)에 빛 속도의 제곱(c2)을 곱한 것과 같다는 거죠. 이때 빛의 속도가 약 30만km/s이기 때문에 아무리 질량이 작은 물체라도 큰 에너지를 가질 수 있는 거예요. 질량이 9×10-31 정도인 전자도 마찬가지죠. 안에 들어가서 좀 더 자세히 알아볼까요?”

 

전체 1.1㎞길이인 4세대 방사광가속기는 전자총, 선형가속기, 삽입장치, 빔라인 네 부분으로 이뤄져 있다. 사진 속의 ‘PAL-XFEL’이라고 적힌 건물이 바로 4세대 방사광가속기 건물이다. - 어린이 과학동아, 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
전체 1.1㎞길이인 4세대 방사광가속기는 전자총, 선형가속기, 삽입장치, 빔라인 네 부분으로 이뤄져 있다. 사진 속의 ‘PAL-XFEL’이라고 적힌 건물이 바로 4세대 방사광가속기 건물이다. - 어린이 과학동아, 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

빛의 속도로 움직이는 전자


“이곳이 바로 전자총을 쏘는, 4세대 방사광가속기의 시작점이에요.”


박사님을 따라 건물 안으로 들어가자 끝이 보이지 않는 기다란 복도가 나타났어요. 그곳엔 복도를 따라 끝없이 놓여진 방사광가속기가 있었죠.

 

4세대 방사광가속기의 가속관이 나열된 모습. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
4세대 방사광가속기의 가속관이 나열된 모습. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

“우리가 따라가는 이 길은 전자가 이동하는 길과 같아요. 전자총에서 10억 개의 전자를 쏘면 그때부터 전자는 이 관을 통해 이동하죠. 금색 관에서는 전자가 점점 속도를 높이며 이동하고, 금색 관보다 조금 가는 은색 관에서는 속도를 그대로 유지하면서 움직여요. 금색 관에는 마이크로파가 들어와 전자의 속도를 높여 준답니다. 이 관을 따라가며 다른 장치들도 함께 살펴보죠.”

가속관의 내부는 마치 CD의 단면이 모여 있는 듯한 모습이다. 가운데 있는 구멍으로 전자가 지나간다. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
가속관의 내부는 마치 CD의 단면이 모여 있는 듯한 모습이다. 가운데 있는 구멍으로 전자가 지나간다. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

박사님의 재미있는 설명을 들으며 걷다 보니 어느새 700m 길이의 긴 가속관 복도 끝에 도착했어요.


“박사님~, 이건 지금까지 보던 장치들과 다르게 생겼네요?”


기자단 친구들이 궁금해 한 것은 바로 4세대 방사광가속기의 핵심 기술인 삽입장치였어요. 삽입장치는 전자가 약 780m를 이동하며 모은 에너지를 엑스선으로 바꾸는 장치예요. 특히 4세대 방사광가속기는 이곳을 거치며 전자에서 나온 빛이 모두 같은 모양으로 정렬된다고 해요. 그러면 빛을 한 곳에 집중적으로 쪼일 수 있어서 물질의 구조를 효율적으로 분석할 수 있답니다.

 

4세대 방사광가속기 삽입장치의 모습. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
4세대 방사광가속기 삽입장치의 모습. - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

방사광가속기는 현미경이다?!


“우와~, 알록달록해요!”


끝없이 이어져 있던 복도를 나와 조금 걷자 레고 블록처럼 생긴 노란색과 분홍색 컨테이너 박스가 나타났어요. 그곳에는 박재현, 남기현 두 박사님께서 기자단 친구들을 기다리고 계셨죠.


“이곳은 조금 전까지 친구들이 봤던 장치들에서 만들어진 엑스선을 실제로 실험에 사용하는 곳이랍니다. ‘빔라인’이라고 부르는 곳이죠. 노란색 박스로 둘러싸인 곳에서는 주로 화학자들이 화학 반응이 일어나는 동안 바뀌는 물질의 구조를 살펴봐요. 분홍색 상자로 둘러싸인 곳에서는 주로 생물학자들이 단백질의 구조를 분석하게 되지요.”


엑스선을 이용하면 물질의 구조를 알아낼 수 있어요. 어떤 물질에 엑스선을 쪼이면 물질의 구조에 따라 엑스선이 *회절되는 모양이 다르기 때문이죠. 지금은 잘 알려져 있는 DNA나 단백질의 구조도 물질을 딱딱한 결정으로 만든 뒤 엑스선을 쪼여 알아낸 거랍니다.

* 회절 : 음파나 빛 같은 파동이 장애물에 부딪힌 뒤 장애물 뒤쪽으로 돌아가는 현상.

DNA 이중나선 구조에 엑스선을 쪼이면 아래 사진 속 무늬가 나타난다. - GIB, 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
DNA 이중나선 구조에 엑스선을 쪼이면 아래 사진 속 무늬가 나타난다. - GIB, 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

“4세대 방사광가속기를 활용하면 이전보다 100억배 강한 엑스선을 1000배 더 짧은 시간 동안 쬘 수 있어요. 시간의 단위가 1000조 분의 1초인 1펨토초이니, 엄청나게 짧은 시간 동안 엄청 강한 빛을 쪼이는 거죠. 엑스선이 강하면 이것 때문에 물질의 구조가 변할 수도 있을 텐데, 엑스선을 받는 시간이 짧으면 그런 변화를 줄일 수 있답니다. 따라서 4세대 방사광가속기를 본격적으로 쓸 수 있게 되면 마치 거대한 현미경처럼 물질의 구조와 변화를 자세히 알아낼 수 있을 거예요. 이를 이용해 지금까지 밝혀지지 않았던 우리 몸 속의 단백질이나 식물의 광합성 반응에서 빠르게 생기는 물질 등을 연구할 예정이랍니다.”

 

4세대 방사광가속기가 펼칠 활약을 기대해 주세요~! - 강흥식 박사 - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공
4세대 방사광가속기가 펼칠 활약을 기대해 주세요~! - 강흥식 박사 - 신수빈 기자 sbshin@donga.com 제공

기자단 친구들이 둘러본 4세대 방사광가속기는 현재 마지막 점검 과정을 거치고 있어요. 이 과정이 끝나는 올해 말부터 과학자들이 물질의 구조를 밝히는 연구에 본격적으로 활용할 예정이라고 해요. 4세대 방사광가속기는 앞으로 어떤 활약을 펼칠까요? 앞으로 <어린이과학동아> 친구들도 꾸준히 관심을 갖고 지켜봐 주세요~!

 

 

 

 

도움|포항 가속기연구소

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