인터뷰 진행: 한주엽
출연: 포항가속기연구소 이상설 박사
-오늘 포항가속기연구소의 이상설 박사님 모시고 관련된 내용 알아보도록 하겠습니다. 박사님 안녕하십니까? “안녕하십니까.” -가속기연구소. 가속기. 이 가속기라는 게 뭘 의미하는 겁니까? “영어로는 Synchrotron이라고 하는데요. 한국말로 가속기라고 하다 보니까 연구소 이름이 포항 Accelerator Laboratory라고 됐어요. 외국에서는 그냥 Synchrotron light source라고 많이 합니다. 전자를 가속 시켜서 과학을 연구하는 데 유용한 아주 밝은 빛을 만들어내는 시설이고요. 그래서 그런 전자를 전자로부터 Photon, 빛을 만들어내는 과정을 방사광이라는 걸 만드는 과정이라고 얘기하고 그래서 영어로는 Synchrotron.” -Synchrotron. 어떻게 만들어지죠? “방사광가속기연구소는 기본적으로 빛 공장이에요. 그래서 아주 밝은 고품질의 빛을 만들어내는 연구소입니다. 그러려다 보니까 사람들이 아이디어를 낸 것이 전자를 빛의 속도로 빠르게 가속 시키고 그 빛의 속도로 가속된 전자를 여러 가지 자석들을 통해서 극휨 자석이라든지 언듈레이터라고 하는 삽입 장치를 통해서 광자로 바꿔주는 그런 역할을 하게 되는데요. 그러려다 보니까 전자를 말이 쉽지 태양 빛보다 훨씬 더 밝게 빠르게 하고 빛을 밝게 하려니까 굉장히 많이 가속을 시켜야 해요.” -많이 가속을 시켜야 합니까? “네. 아주 많이 가속을 시켜야 해요.” -어느 정도의 속도로? “속도 자체는 빛의 속도죠. 빛의 속도로 달리는 일렉트론의 개수가 많아야 하니까 한 몸으로 뛰는 일렉트론 개수가 많아야 하니까 자석을 많이 배치하고요. 아주 큰 파워의 전기를 집어넣어서 포항가속기연구소 같은 경우에는 일렉트론을 가속하는 데 280m 정도(가속 구간의 길이 170미터, 100미터 전자전송선 별도)를 가속 시킵니다.” -280m를 가속 시킨다고요? “네. 선형 가속기라고 해서 전자를 빠르게 가속 시키는 구간이 straight section이 280m에요. 그 구간을 지나게 되면 일렉트론 군단들이 ‘우린 이제 충분히 빨라. 고품질의 빛을 낼 수 있어.’ 이런 상태가 되면. 혹시 요새 애플 연구센터에 이렇게 도넛처럼 동그랗게 생겼는데요. 스페이스처럼. 그런 형태의 동그란 저장링이라고 하는 공간에다가 전자를 넣어주게 되면 빛의 속도로 전자가 계속 돌고 있어요. 그러다가 사람들이 ‘나는 이번에 X-ray가 필요해.’라고 연구자들이 생각한다면 X-ray 파장에 맞는 빛을 거기서 뽑아낼 수 있는 그런 시설입니다.” -동그란 도넛처럼 생겼다고 했는데 그 도넛처럼 생긴 게 지름이 얼마나 됩니까? “약 300m 정도.” -300m요? “약 300m(지름 90미터, 전자궤도 원주 282미터) 정도 되고요. 더 큰 것도 있습니다. 세계적으로 봤을 때 500m짜리도 있고 1km짜리도 있고요. 그것은 용도에 맞게 키울 수 있는데요. 크면 그 안에 실험 시설을 많이 집어넣을 수 있겠죠. 그래서 대형으로 짓는 것도 좋고 또 생각해보면 우리는 작지만, 우리 용도에 맞는 게 필요하다. 그럼 좀 작게 만들어도 상관없지만, 기본적으로 거대과학 시설이라고 불릴 만큼 지름은 수백 m에서 km 정도 되고요. 약간 성격은 다른데 우리는 방사광 가속기는 빛을 만들어내는 가속기지만, 여러분들한테는 그런 게 유명하죠. 힉스를 발견한 스위스에 있는 입자 가속기, Particle accelerator가 굉장히.” -뉴스에 이렇게 나오는. “너무 많이 나오니까 그런 것들은 입자 하나하나를 가속 시켜야 하므로 훨씬 더 지름이 커야 해요. 그래서 그런 것들은 어떤 때는 국경을 넘어서.” -그렇게 큽니까? “네. 스위스 같은 경우에는 스위스의 제네바하고 국경 넘어 프랑스 땅까지 해서 입자 가속기를 집어넣을 정도로 굉장히 규모가 큰 사이언스 시설입니다.” -도넛처럼 동그랗게 생긴 게 지름이 300m라고 하셨는데 그 도넛 끝에 동그란 게 전자가 돌아갈 수 있는 동그란 파이프라인 같은 거라고 그거는 지름이 얼마나 됩니까? “어떻게 그렇게 파이프라인을 또 정확하게 알아내셨는지 모르겠는데 맞습니다. 전자가 에너지의 로스 없이 빠르게 돌고 있어야 하므로 초고진공으로 유지가 되고요. 기본적으로. 근데 이렇게 큰 건물을 초고진공으로 만들 순 없잖아요. 우주도 아니고 그러니까 그 전자가 돌아다니는 공간 자체는 굉장히 좁죠. 제가 지금 정확하게 말씀드리긴 어렵지만, 밀리미터 오더입니다. 이 밀리미터 오더의 스테인리스 스틸로 만든 금속 재질로 만든 체임버 안에 일렉트론들은 밀리미터 오더의 작은 관을 통해서 돌아다니고 있어요. 그 얘기는 한 치의 오차 없이 그 작은 곳에 일렉트론의 덩어리들이 같은 속도로 돌게끔 제어할 수 있는 기술이 굉장히 중요하고요. 그래서 가속기 기반의 그런 시설들은 초고진공 환경. 대략 토르 기준으로 10의 마이너스 10승 정도를 안에 유지하거든요. 그니까 EUV 머신 이런 거보다 훨씬 높은 레벨의 진공을 갖고 있고 그렇게 해서 만들어서 쓰고 있습니다. 다 핸드메이드입니다.” -그래요? 다 손으로 만들어야 합니까? “왜냐면 양산 툴들이 아니니까 개발품들이라 설계하고 쇠를 깎아서 이렇게 용접을 하고 이렇게 해서 만들어야죠. 그런 노하우들이 포항가속기연구소는 95년도부터 있었기 때문에 지금 30년쯤 됐으니까 노하우가 많이 있죠.” -전자는 어떻게 발생시킵니까? 가속기 안에. “일반적으로 똑같습니다. 불에서 켜는 거랑 똑같고요. 캐서 들어가는 그런 물질을 사용해서 만드는데 물론 일반적인 캐서들보단 훨씬 더 고품질의 일렉트론이 나와야 하니까 저희 같은 경우는 씨드 레이저, 펨토초 레이저를 활용해서 그렇게 만들어내고요. 그렇게 한 번 만들어내게 되면 그다음부터 자석의 영역입니다.” -전기도 많이 쓰겠네요? “전기 꽤 많이 쓰죠. 1년에 꽤 많이 씁니다. 정확하게 말씀드리긴 비밀이라 좀 그런데 포항가속기연구소는 100억 원 이상 전기세가 나갑니다.” -1년에? “1년에.” -전기도 엄청 많이 쓰네요. 근데 그렇게 동그란 것들 안에 전자가 막 돌아다니게 했는데 이거 나중에 빛을 만든다고 했는데 이걸 어떻게 활용합니까? “굉장히 다양한 응용 범위가 있어요. 사람들은 잘 모르지만, 생각보다 저희는 항상 빛을 활용한 뭔가를 하고 있거든요. 당장 일단 우리 뭔가 물건을 물체를 보고 있고 빛이 꺼지면 깜깜하고 아무것도 못 보는데 Photon이라는 게 우리 눈에 보이는 가시광선 영역은 아니지만, X-ray를 포함해서 빛이라는 것은 무언가를 관찰할 수 있게 해줘요. 그래서 빛이 많이 모이면 많이 모일수록 밝은데 많이 보는 거는 여러분들이 제일 쉽게 생각하실 수 있는 것은 요새 신약 개발. 약을 만드는데 모든 약을 다 사람 몸에 아니면 동물 몸에 넣어서 그 효과를 볼 수도 없고 이 약은 각각의 작용기들이 있을 텐데 그 작용기가 어떻게 만들어졌는지를 사람 눈으로 볼 수 없잖아요. 근데 X-ray를 넣게 되면 X-ray라는 빛을 쏘이게 되면 그 빛이 원자들 간의 상호작용을 통해서 물질이 가진 구조를 회절이라는 원리로 Diffraction이라는 원리로 발생시키게 됩니다. 예전에는 그냥 strip detector라고 해서 아주 작은 영역의 회절을 볼 수 있었는데 최근에는 TV가 커지듯 검출기도 어마어마하게 커지고 있거든요. 그래서큰 면적의 뉴메리컬 어퍼처를 가진 검출기들이 회절 신호를 잡아내면 역 격자 공간으로 재해석하게 됐을 때 이 물질의 구조를 알 수 있어요. 약이 잘 만들어졌구나. 이런 것들 쉽게 볼 수 있습니다.” -그러면 포항가속기연구소의 인프라를 활용해서 과학자라든지 기업이라든지 이런 것들이 와서 가속기에서 만들어낸 빛을 다양한 파장 형태로 활용할 수 있는 거군요. “맞습니다. 제가 바이오만 말씀드렸지만, 실은 바이오, 철강, 그다음에 소재, 다양한 분야. 요새는 배터리 이런 것들 다양하게 전부 다 연구에 응용할 수 있고요. 그래서 실험 시설도 포항가속기연구소 같은 경우에는 그런 각각의 실험 시설이 35개 정도가 있는데 그 35개가 다 달라요.” -그러니까 이 도넛처럼 생긴 곳에서 빛을 받으려면 그 주변에 모여있는 겁니까? “네. 전자들의 통로가 있다고 치면. 300m 정도의. 빛을 뽑을 때는 막 뛰다가 여러분들 1,000m 달리기 이런 거 하면 운동장을 뱅글뱅글 도시잖아요. 곡선 구간이 되면 몸이 이렇게 밖으로 밀려 나가는 반성을 느끼실 텐데 그것처럼 자석으로 계속 도는 전자를 한쪽 방향으로 꺾어주면 그 전자가 에너지를 광자로 바꾸면서 배출되게 돼요. 동그란 영역에 있다면 바깥쪽으로 실험 시설 하나, 둘 지을 수 있고요. 그렇게 해서 수도꼭지를 하나 열면 우리는 셔터라고 하지만, 셔터를 열게 되면 Photon들이 밖으로 방출되게 되고 그 Photon도 종류가 다양해요. 하드 X-ray, 소프트 X-ray. 파장이 짧은 녀석, 적당히 짧은 녀석,조금 긴 녀석. UV나 Infrared처럼 아주 긴 녀석. 이런 것들이 다 나오게 됩니다. 그러면 광학 기술을 동원해서 이 연구개발에 필요한 파장만 빛만 골라서 쓰는 거죠.” -만약에 반도체 쪽에서 EUV다. 그러면 13.5nm 맞습니까? “맞습니다.” -그 파장 때만 골라서 빛을 뺄 수도 있는 거에요? “그럼요. 13.5나노를 골라서 쓸 수 있어서 기술적인 것들은 여러 가지가 있지만, 아주 정밀하게 그 빛만 뽑아낼 수가 있어요. 그래서 그걸 가지고 사실은 EUV 산업계에서 초기에 아직도 가장 중요한 연구들은 전부 다 방사광 가속기를 이용해서 했었습니다.” -굳이 우리가 장비를 들여놓거나 그 장비가 있는 데를 찾아가지 않더라도. “그렇죠. 약간 다른 개념이긴 해요. 왜냐면 예를 들면 10년 전만 해도 EUV 광원을 가속기 말고 ASML 노광 장비 말고 만들어낼 수 있는 곳이 거의 없었어요. 일단 빛이 없었다. 근데 여기는 빛이 많고 두 번째는 이 빛하고 저 빛하고 모든 빛들이 약간씩 성격이 다릅니다. 그래서 연구개발에 필요한 성격의 EUV 파장이 있는데 그것은 가속기에서 아주 잘 나와요.” -아까 35개의 연구 시설이 있다고 했는데 그거 측면에 밖으로 있는데 35개 이상은 못 하는 거죠. “네. 시설을 어떻게 짓느냐에 따라 다르긴 한데 이론적으로 포항가속기연구소는 48개까지 가능하고요.” -48개. 지금은 몇 개 정도? “지금은 35개요. 왜냐면 다닥다닥 붙일 수도 있는데 연구의 성격상 엔드 스테이션들이 커지거나 다양한 장치들이 필요하게 되면 역시 인구 과밀이 되면 힘들잖아요. 그래서 공간을 두기도 하는데 지금 거의 전 세계적인 흐름으로 보면 포항가속기연구소는 거의 100% 가까이 쓰고 있다고 보면 돼요. 왜냐면 90년대 포항가속기연구소의 비트나인이 초창기에 두 개, 세 개 그랬을 겁니다.”“그렇죠. 그리고 다 원하는 바가 다를 테니까 1년에 포항가속기연구소에 연구자들이 연구 그룹이 4,000그룹 정도가 와요. 4,000그룹. 그니까 365일로 해도 어마어마한 숫자죠. 각기 다른 20그룹의 연구자들이 매일 다르게 방문하는 셈이에요. 그러니까 빔타임을 공공재로 쓰다 보니까 아직 산업에서 만족할 만큼 EUV에 쓸 수 있는 빔타임은 부족합니다. 그래도 24시간 중에서 최대한의 기술력을 녹아 넣어서 짧은 시간에 많을 걸 하려고 노력하지만, 많이 부족해서 사실 큰 바람은 이런 EUV 생태계에서 이런 인프라들이 더 갖춰지고 더 많은 연구를 할 수 있게끔 제가 서포트를 할 수 있다면 더 행복할 거 같긴 합니다.”
-꼭 그렇게 되기를 바랍니다. 이게 그런 실험 인프라들이 많으면 많을수록 새로운 제품이라든지 기술 개발할 가능성도 더 커지는 거 아닙니까?
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