한국원자력연구원(원장 김종경) 세계 수준의 연구센터(World Class Institute, 이하 WCI)인 양자빔기반방사선연구센터 신진연구원에 의해 대형 방사광 시설과 소형 방사선 장치 등에 폭넓게 활용될 수 있는 신개념 방사선 발생장치 원천기술이 개발됐다.

WCI 신진연구원 육성 프로그램 일환으로 연구에 참여하고 있는 학연학생 문정호 씨(충남대학교 물리학과 박사과정)가 기존 방사성 발생장치의 단점을 보완한 신개념 방사선 발생장치 원천기술 개발에 성공해 연구결과가 국내외 특허 출원 및 가속기 분야 SCI 국제저널인 ‘Physical Review Special Topics on Accelerators & Beams’ 8월호에 게재됐다.

전자빔으로부터 방사선을 발생시키는 장치인 언듈레이터(undulator)는 방사광 가속기, 자유전자레이저(FEL, Free Electron Laser)의 핵심장치로 주기적인 자석의 배열로 이뤄져 있다. 가속돼 언듈레이터로 들어온 전자가 자기장에 의해 방향이 변하면서 방사선이 발생되는 원리다.

현재 학계에서는 언듈레이터 내 자장의 세기를 변화시켜 방사선의 파장(종류)을 바꾸는 기술을 사용하고 있다. 현재의 기술은 WCI 센터장이자 세계적인 석학인 니콜라이 비노쿠로프(Nikolay Vinokurov) 센터장이 1980년대 초반에 처음 개발한 것으로 전 세계 거의 대부분 방사광 가속기와 자유전자레이저 시설에서 30여 년간 사용하고 있다.

문정호 씨는 기존 기술의 문제점을 극복할 수 있는 주기가변 언듈레이터를 세계 최초로 개발하는데 성공했다. 언듈레이터 내 자기장의 세기를 변화시킬 경우 발생하는 방사선의 출력 또한 변화되기 때문에 자기장 세기 대신에 주기를 변화시키면 더 안정적인 방사선 발생이 가능하지만 장치 구현의 어려움 때문에 현실화 되지 못하고 있었다.

문정호 씨는 자석 간에 밀어내는 힘인 척력이 균형을 이룰 수 있는 기계구조 구현에 성공해 주기가변 언듈레이터를 개발했다. 개발된 장치는 자기장의 세기는 변하지 않으면서 자석의 주기를 바꿀 수 있기 때문에 방사선의 파장이 바뀌어도 출력이 일정하게 유지되는 장점이 있을 뿐 아니라 강력한 자기장을 유지하면서도 장치의 크기를 대폭 줄일 수 있어 방사선 장치의 소형화 개발에도 크게 기여할 전망이다.

이번 연구결과는 스승인 비노쿠로프 센터장을 이어 직접적인 가르침을 받은 신진연구원이 같은 분야에서 세계적인 성과를 이뤘다는 점에서 큰 의의가 있다.

문정호 씨는 양자빔기반방사선연구센터에 소속돼 고출력 테라헤르츠파 발생 기술 개발에 참여하고 있으며, 자유전자레이저 개발 및 활용 기술 개발에 참여해 획득한 경험과 지식을 토대로 WCI 출범과 함께 세계적인 석학인 비노쿠로프 센터장의 지도로 세계 최초의 주기가변 교번자장기 개발과 같은 우수한 성과를 거둘 수 있었다.

비노쿠로프 센터장은 “이번에 개발된 장치는 세계 최초로 구현된 새로운 기술로 전자가속기 기반 방사선 발생 기술에 있어서 중요한 진보”라며 “이를 이용해 보안 검색에 사용될 수 있는 탁상형의 고출력 테라헤르츠 자유전자레이저 개발에 박차를 가하고 있다”고 밝혔다.

한편 최근 제4세대 방사광가속기 개발이 전 세계적으로 활발히 이뤄지면서 언듈레이터에 대한 수요가 높아지고 있다. 일반적으로 하나의 방사광 시설에서 필요한 언듈레이터 개발비가 약 수백억 원에 이르지만 대개는 자체적으로 설계·제작하는 것이 관례였다. 하지만 앞으로 소형 및 대형 방사선 발생장치가 보안검색과 차세대 반도체 생산용 리소그래피 광원 등으로 상용화되면 이번에 개발된 기술은 학술적인 가치를 넘어 고부가가치를 낳는 아이템이 될 것으로 전망되고 있다.