물리학과 첨단기술 January/February 2007 17 첨단 연구장비 개발 사업 유 종 신 저자약력 유종신 박사는 미국 미시간 주립대 화학과 이학박사(1991)로서 미국 하 버드대에서 박사후 연구원(1991-1993)을 거쳐, 현재 한국기초과학지원연 구원 연구장비개발부 부장으로 재직 중이다 ([email protected]) 현재 우리가 살고 있는 시대를 융합의 시대라고 한다. 과학 의 발달과 더불어 물리, 화학, 생물, 전자공학 , 재료공학, 기 계공학 등의 과학기술이 학문 사이의 영역을 넘어서 물질, 인 간 및 생명, 우주의 미지를 탐구하기 위하여 서로 융합하여 효과를 극대화하는 시대가 도래한 것이다 . 물질계를 지배하는 주요 요소로서 자기장, 온도 및 압력을 들 수 있다 . 이 중에서 자기장은 물질을 비접촉, 비파괴적으 로 분석할 수 있을 뿐 아니라 물질계의 제어도 가능하다. 즉, 자기장 환경을 이용하여 물질의 평가 가 가능하다. 자기장 환 경 하에서 물질의 열적, 전자기적 성질이 어떻게 변하는가, 물질의 구조가 어떻게 변하는가 등을 통하여 물질의 본성을 조사할 수 있다. 자기장을 이용한 물성 연구로서 반도체 연 구, 양자물성의 연구 등을 들 수 있으며, 양자홀 효과 등 노 벨 물리학상도 다수 수상하였다. 또한 최근에는 고자기장 환 경을 이용한 화학, 생물분야에의 연구도 활발하다. 생명과학 분야에서는 단백체의 성질을 규명하기 위한 연구 (Proteomics) 가 활발히 연구되고 있으며, 단백질의 구조를 밝히기 위한 중요한 연구수단의 하나로서 최근 21테슬라급(900 MHz) 고 자기장 초전도자석을 이용한 NMR 장치로 단백질 구조분석을 하고 있으며 궁극적으로 1.2 GHz(28.2테슬라) 급의 초전도자 석을 이용한 NMR 시스템으로 연구할 수 있게 되기를 기대하고 있다. 또한 화학 및 생물 등에서 물질의 특성을 연구하기 위한 질량분석법에서도 최근에는 FT-ICR(Fourier Transformed Ion Cyclotron Resonance) 질량분석법을 위하여 15테슬라 초전도 자석을 이용한 질량분석기가 KBSI 및 NHMFL에서 개발되었으 며, 더 정밀한 질량분석을 위하여 향후 21테슬라급 초전도자석 을 이용한 FT-ICR 질량분석기 개발을 고려하고 있다 . 이 뿐만 아니라 자기장 환경을 이용하여 물질의 제어 가 가 능하다 . 즉 , 자기장 환경 하에서 물질의 합성 , 결정성장 및 화 학반응을 제어함으로서 새로운 물질의 합성 또는 더 좋은 품질 의 물질을 만들어 낼 수 있다 . 대구경 실리콘 단결정의 성장에 서도 결정의 직경이 커질수록 용융상태에서의 대류현상 등의 문제가 있으나 ~3테슬라 전후의 자기장 환경 하에서 결정성장 을 함으로 좋은 결과를 얻고 있다 . 화학 및 고분자 합성에서도 자기장을 이용하여 분자의 스핀계를 제어함으로 다양한 결과를 얻을 수 있으며 , 자기장 환경 하에서 단백질 결정성장을 하여 더 좋은 결정을 얻고 구조분석을 명확히 잘 할 수 있다 . 이와 같이 자기장 환경은 물질, 화학계, 생물계와 상호작용 하여 다양한 효과를 만들어낼 수 있는 흥미로운 가능성을 가 지고 있다 . 즉, 자기장 환경을 이용한 새로운 물질계의 개발 과 가능성의 발현을 기대할 수 있다. 기초과학지원연구원의 연구장비개발부에서는 첨단 연구분 석장비의 개발과 국내외 연구자에게 연구환경을 제공하기 위 하여 고자기장, 극저온, 초정밀 기술을 이용한 연구장비개발 을 수행하고 있으며 이에 대해서 소개하고자 한다. 고분해능 질량분석기 시스템 개발 질량분석기개발팀에서는 전기장과 자기장을 이용하여 이온 상태로 전하를 띤 분자의 질량을 측정하는 질량분석기를 제 작하고 있다. 현재 개발 중인 질량분석기는 현존하는 가장 높은 분해능을 갖는 15 T(Tesla) 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공 명 질량분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer: FT-ICR MS)를 개발하고 있다 . 질량이 란 대표적인 불변량 중에 하나로 어떠한 서로 다른 상황에서 도 그 물체가 갖고 있던 질량의 값은 불변이라는 것이다. 이 러한 불변량들은 모든 현상을 관찰하고, 분석하여 중요한 정 보를 제공할 수 있는 대단히 중요한 지표가 된다. 우리는 물 체의 질량을 저울로 측정하고 있지만 원자나 분자 수준의 물 체들은 일반적인 저울로 측정하는 것이 불가능하다. 1897년 J. J. Thomson은 그때까지 단지 파의 일종일 것이라고 생각 해오던 전자가 음의 전하를 띠는 입자이며, 전자의 전하 대
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첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론
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(21.3T)이 도입되어 가동 에 있으며, FT-ICR MS system (15T, R.T. bore 110 mm)의 개발이 완성단계에 있다. 국가
으로는 응집계 물성, 나노물성 자성재료 등의 기 연구
를 하여 80T 펄스 고자기장 시스템과 30T magnet system의 개발이 요구되고 있다. 고자기장 발생장치의 개발
과 련하여 미국의 NHMFL(National High Magnetic Field Laboratory), MIT, 일본의 NIMS(National Institute of Materials Science), 랑스의 LNCMP 등과 연구교류 약
을 맺거나 연구교류를 진행하고 있으며, 이 외의 다수의 연구
기 과 연구교류를 하고 있다.물리학 생물학 화학 재료과학 환경과학 등에 있어서 자
기장을 발생시켜서 연구를 하여야 하는 연구분야가 다양하게
있으며 이와 련한 첨단 고자기장 자기장 환경 연구장비의
국내 개발이 요구되고 있다. 기 과학지원연구원에서의 고자
기장 도자석시스템 개발은 요한 의미를 가지고 있다.초정밀 분석용 고자기장 초전도 자석 시스템 개발: 단백체
연구에 필요한 장비인 기능연구용 MRI, FT-ICR, NMR은 생
명과학의 Proteomics, Systems Biology 분야를 연구하기
해 필요하며, 이들 장비의 분해능 향상은 도 자석의 자기
장 세기에 비례한다. 고자기장 도 자석기술의 발달은 그
림 5에서처럼 재 기능연구용 MRI의 경우 11.7 Tesla, FT-ICR의 경우 15 Tesla, NMR의 경우 22.31 Tesla(950 MHz) (그림 6)의 도 자석이 개발되어 있으며, 한국기
과학지원연구원은 보다 고자기장 환경을 제공할 수 있는
도 자석의 개발을 하여 노력하고 있다. 이러한 노력이
성공할 경우, 국내 Proteomics 연구를 세계 수 으로
breakthough 하는 것은 물론, 련 연구를 국제 으로 주도
함으로 나아가 노벨상 연구의 산실이 될 수 있을 것으로
기 한다. 세계 최고 성능의 고자기장 단백체 연구장비를 보
유함으로 앞으로 신약개발과 국민의 복지향상에 기여하여 우
리나라가 BT 산업 강국이 되는데 이바지할 수 있을 것이다.고자기장 단백체 연구장비의 핵심요소인 정 분석용 고
자기장 도 자석 시스템 개발기술은 물리, 기계, 기, 재료 분야의 융합기술로써, 차세 FT-ICR 질량분석시스템에서
요구되는 도 자석의 경우, 상온 보아 110 mm, 21 T 이상의 고자기장 환경에서 발생하는 자기력에 의한 300 MPa 이상의 구조강도와 10 ppm 이하의 자기장 균일도를 갖춘 고
자기장 역의 확보가 주요과제이다. 한 NMR에서 Trosy 효과와 신호감도를 고려할 때 부분의 단백질 구조분석이
가능한 것으로 알려져 있는 1.2 GHz (28.2 Tesla) 도 자
석의 경우 400 MPa 이상의 구조 강도와 10 ppb 이하의 자
기장 균일도가 요구되며, 이 자기장은 재 개발된 Nb3Sn 온 도 선재의 임계자기장을 과하므로 고온 도 선
재를 사용함으로서 도달할 수 있는 고자기장이다.한국기 과학지원연구원은 세계 도 과제인 정 분
석용 고자기장 도 자석 시스템 개발 기술을 확립하기
해 국제 공동연구로써 21 T FT-ICR용 도 자석(그림 7)의 개념 설계와 고자기장 극 온 환경에서의 도자석의
자기장 해석 구조 설계, 2K 온도 역에서 운 되는 20 T 이상의 고자기장 도자석이 1년 이상 헬륨 재충 없
이 장시간 운 이 가능한 폐형 냉각 시스템(그림 8) 설계
실험, 열침입형 HTS current lead 개념 설계 등의 연
구를 수행하고 있다. 한, 고자기장 도 자석의 설계에
있어 epoxy의 손과 코일의 변형 퀜치에 의한 향을 고
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24
26
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30
Long
itudi
nal d
irect
ion
[m]
Radial direction [m]
Nb3Sn Coil
HTS Coil
NbTi Coil
Mag
netic
Fie
ld [T
]
그림 9. 1.2 GHz (28.2 T) NMR용 고자기장 초전도 자석 개념 설계도.
1.8K SubcooledMagnet Cryostat
300KVacuumVessel
4.2K Liquid HeliumCryogen Tank
Nb3SnMain Coil
NbTiMain Coil
NbTi Shield Coil
NbTi Compensation Coil
Cryo-cooler
JT Cooling System
1.8K SubcooledMagnet Cryostat
300KVacuumVessel
4.2K Liquid HeliumCryogen Tank
Nb3SnMain Coil
NbTiMain Coil
NbTi Shield Coil
NbTi Compensation Coil
Cryo-cooler
JT Cooling System
그림 7. 21T FT-ICR용 초전도 자석 시스템 개념도.
CompressorUnit
vacuumGHe
T
T Temperature sensor
Level gauge
P∼
Pre-Cooler T T
T
T
T
T
T
TT
P
CompressorUnit
CompressorUnit
vacuumGHeGHe
TT
TT Temperature sensor
Level gauge
PP∼∼
Pre-Cooler TT TT
TT
TT
TT
TT
TT
TTTT
PP
그림 8. 밀폐순환 냉각용 헬륨 재응축 시스템.
려한 새로운 설계 방법을 연구하고 고온 도 BSCCO 선재
를 사용한 온 도자석의 가운데에 넣어 1.2 GHz의 고자
기장을 발생시킬 수 있는 hybrid형의 NMR용 고자기장
도 코일의 개념 설계(그림 9)를 수행하여 국내 개발 기술의
확립을 해 노력하고 있다. 이 기술들은 고자기장 단백체 연
구장비의 개발에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 향후 NT 물
성연구용 도 자석의 개발과 의료용 MRI 개발에 있어서
도 응용이 가능한 기술이다.
극 온 연구환경 개발
온공학에서 말하는 온은 체로 LNG 온도(~120 K) 이하 는 고온 도체가 발 하는 온도 이하(~130 K)로 정의
하나 규정된 것은 아니다. 온공학이라 함은, 온을 발생하
고 유지하는 기술과 온환경을 이용하는 기술, 그리고 이와
련된 모든 기술들을 총 한 학문이라고 할 수 있다. 고자기
장개발 에서는 BT, NT, ST 분야에 기반이 되는 고자기장, 극 온 연구장비 개발과 이의 응용을 한 도 자석개발, 극 온 온 냉각기술과 온장비 개발, 이와 련된 연
구 분석, 계측 기술의 개발을 한 연구를 수행하고 있다. 극 온 과학시 가 본격 으로 시작된 것은 1898년 수소
액화의 성공과 1908년 헬륨액화에 성공하면서부터이고, 바로
이 시기는 근 물리학의 탄생할 시기와 일치한다. 1911년 수
은의 도 상의 발견, 1932년 액체헬륨의 유동 상
등 이 시기의 극 온과학은 양자역학, 양자통계학, 도 등
의 발 에 요한 공헌을 하 다.한편, 과학에서는 온공학의 발달로 물질 는 시스템
의 온도를 낮춤으로서 새로운 상 장치를 연구‧개발하고
에 지 효율을 높이고 있다. 그 표 인 로는, 도 상
의 연구 응용, 온에서의 양자물성, 재료연구, 유동 상
과 SQUID 등 센서 소자 냉각 등을 들 수 있으며, 이 분
야의 개발을 해서는 고도의 문 인 기술이 필요하다. 한, 고온 도체의 력응용에 있어서는 온기술이 없이는
생각할 수 없으며, 장기운 에서의 신뢰성이 요구되고, 효율
물리학과 첨단기술 January/February 2007 22
그림 10. 자기냉각장치 구성의 개념도.
그림 11. 자기냉각에 의한 엔트로피-온도 관계.
그림 12. 적외선 우주망원경 냉각시스템 단면도.
그림 13. 적외선 촬영 영상.
이며 경제 인 냉각방식이 실용화에의 건이라고 할 수
있다. 천문 우주공학에서의 추진체, 탑재체에 용되는
온기술, 우주에서의 계측과 련된 소자 센서 냉각기술, 핵융합연구에서의 고자기장을 얻기 한 도자석의 냉각
기술, NT BT와 련한 NMR, MRI 등에서의 냉각기술, 최근 차세 체에 지로서 각 받는 수소의 액화 장, 형
LNG 장 Tank 수송선에서의 온 단열기술 등은 온
냉각 단열기술이 확립되지 않으면 결코 효율 인 운용이
어려운 분야라 할 수 있다.초전도센서냉각을 위한 극저온 개발: 도재료를 이용한
고감도센서로서 TES(Transition Edge Sensor)와 STJ (Superconducting Tunneling Junction)을 들 수 있다. 이러한 도센서 소자는 0.1 K 후의 극 온에서 작동한다. 1 K 이하의 극 온을 얻는 방법으로서 액체 He-3을 이용한 냉
각, 희석냉동기(Dilution Refrigerator), 자기냉각법(magnetic cooling, Adiabatic Demagnetization Refrigeration) 등을
들 수 있다. 이 가운데 장치의 규모가 소형으로 실험실 는
우주에서의 천문우주 측 연구를 해 0.05 K 이하의
온까지 얻을 수 있는 방식으로 자기냉각법을 들 수 있다. 기과학지원연구원에서는 고감도 STJ 센서의 냉각을 하
여, 액체헬륨을 사용하지 않고 소형냉동기를 비냉각기로 하
는, FAA 는 CPA 등의 자성염(magnetic salt)을 이용하는
0.1 K 이하의 온도를 얻을 수 있는 자기냉각장치를 개발
에 있다.([그림 10] 자기냉각장치 구성의 개념도 [그림 11] 자기냉각에 의한 엔트로피-온도 계 참조).
적외선 우주망원경 냉각시스템: 외선 센서 냉각시스템 개
발기술은 천문 측 성, 기상 성, 자원탐사 성, 해양 성
등의 측 성과 지상 열추 군사 성, 열추 미사일의 개
발에 응용되는 핵심 기술로 개발된 외선 센서를 산업
군사용으로 활용할 수 있는 기반을 마련한다. 고자기장개발
에서는 외선 우주망원경 냉각시스템의 시험모델을 개발하
다. 이 기술은 외선을 이용한 우주탐사 미션에서 외선
센서를 냉각하여 감도향상과 배경열잡음의 감소를 목 으로
개발된 시스템이다. 냉각방식에는 액체헬륨 는 액체질소와
같은 냉매를 사용하는 방법과 소형 냉동기를 이용하는 방법
이 있다. 본 연구에서는 냉매가 필요 없으며, 냉동기의 장기
운 신뢰성이 실증된 소형 스터링 냉동기를 이용한 70 K 냉
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Freeform 700 Surface Measurement system NT2000▶5축 제어를 통한 3차원 자유곡면 형상의 나
노단 의 기계가공
1) Turning - 최 가공 유효 직경: 700 mm - Surface roughness: Rmax 0.01 µm(AI, alloy) 2) Grinding - 최 가공 유효 직경: 300 mm - Surface roughness: Rmax 0.05 µm(SF-12 Glass)
▶ 학계를 이용한 비 방식으로 국부 역
의 나노표면 형상을 측정하는 장비
- Vertical resolution: 0.1 nm 이하
- 최 측정범 : 100 mm * 100 mm - 수직방향 측정 폭: 0.1 nm - 150 µm - 반복정확도: 0.1 nm - 촛 이송방식: 자동
1) Turning - 최 가공 유효 직경: 600 mm - Surface roughness: Rmax 0.01 µm(AI, alloy) 2) Grinding - 최 가공 유효 직경: 300 mm - Surface roughness: max 0.05 µm(SF-12 Glass)