레이저 이용 '고순도 중이온빔 인출' 국내 최초 성공

[사진=미래부 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 미래창조과학부는 기초과학연구원(IBS) 중이온가속기건설구축사업단에서 자체 개발한 ‘ISOL 레이저 이온원(용어 설명 참고)’ 장치를 이용해 국내 최초로 중이온(heavy ion) 빔을 인출했다고 13일 밝혔다.

ISOL 레이저 이온원 장치개발에 사용된 ‘레이저 공명 이온화 기술(RILIS)’은 레이저 광을 이용해 특정 원소만 분리 및 이온화 할 수 있는 핵심 첨단기술이다. 세계적으로도 가속기 선진국(CERN·스위스, TRIUMF·캐나다, RIKEN·일본 등) 일부만 보유하고 있다.

이 기술을 적용할 한국형 중이온가속기는 국제과학비즈니스벨트 거점지구 내에 2021년 완공을 목표로 구축될 핵심 대형기초연구시설이다.

한국형 중이온가속기는 희귀동위원소 빔 발생을 위해 ISOL과 IF 두 가지 방식을 동시에 사용하는 세계 유일의 중이온가속기다. 기존 방식(ISOL 또는 IF 단독 사용)의 가속기보다 넓은 범위의 희귀동위원소를 생성해 다양한 기초 및 응용연구가 가능하다.

파쇄핵분리장치(In-flight Fragmentation)는 얇은 표적에 중이온 빔을 충돌시켜 소전류 고에너지 동위원소빔을 생성하는 기기다.

이번에 자체 개발한 기술(RILIS)은 한국형 중이온가속기의 희귀동위원소 빔 발생장치 중의 하나인 ISOL 시스템에 직접 적용될 기술이다.

국내 연구진이 개발한 동 기술(RILIS)로 중이온가속기가 생성하게 될 희귀동위원소 빔의 대표성과 성능지표가 되는 주석(50Sn) 중이온 빔 인출을 완벽히(99% 이상 고순도) 성공함에 따라 실제 한국형 중이온가속기가 구축되면 바로 적용이 가능하다.

또한 장치구축에 있어서도 저사양 질량분석기를 사용할 수 있어 비용절감 효과를 기대할 수 있게 됐다.

기존 이온화 방식(표면 이온화, 플라즈마 이온화)은 특정 원소만 선택적으로 이온화할 수 없어 추가로 고가의 고성능 질량분리기(질량분해능 ≥ 40,000) 사용이 필요한 반면, 레이저 이온화 기술을 이용하면 저사양의 질량분리기(질량분해능 < 1,000)로도 충분하다.

희귀동위원소 빔은 물질을 원자핵 수준에서 정밀 분석하는 데 활용되며 기초과학뿐만 아니라 신재료 개발 및 의학, 생명공학 등 다양한 분야에 폭넓게 이용될 수 있다.

특히 ‘레이저 공명 이온화 기술(RILIS)’을 이용해 생성된 고순도 희귀동위원소들은 별의 폭발로부터 중(heavy)원소가 어떻게 만들어 졌는지 등 물질의 근원을 규명하는데 필수적이다.

미래부 관계자는 “이번 기술개발로 현재 구축 중인 한국형 중이온가속기의 ISOL 시스템이 성공적으로 구현될 가능성이 한층 높아지게 됐다”며 “세계 최고수준의 한국형 중이온가속기가 일정대로 차질 없이 완공될 수 있을 것”이라고 밝혔다.


☞ 공명 이온화 레이저 이온원(RILIS·Resonant Ionization Laser Ion Source)
이온화 하고자 하는 원소의 에너지 준위 구조와 정확히 일치하는 파장의 레이저를 쪼여줌으로써 원소를 선택적으로 이온화 시키는 장치다. 

☞ 희귀동위원소
일반적으로 지구상에서 발견되지 않은 수명이 짧은 동위원소(양성자수는 같지만 중성자수가 다른 원소)를 말한다.

☞ 온라인 동위원소 분리 방식(ISOL·Isotope Separation On-Line)
두꺼운 표적에 양성자 이온 빔을 충돌시켜 대전류 저에너지 동위원소빔을 생성하는 시설로 사이클로트론, 표적·이온원부, 빔분리장치로 구성된다.