국내 연구진이 세계에서 원자의 운동을 가장 잘 포착하는 전자카메라를 개발했다.
한국원자력연구원(원장 박원석)은 정영욱 박사팀 32펨토초 시간 분해능을 가지는 '초고속 전자회절 장치'를 개발했다고 13일 밝혔다.
원자 움직임은 보통 펨토초(1000조 분의 1초)에서 피코초(1조 분의 1초) 단위로 매우 짧은 순간 동안 일어난다. 초고속 전자회절 장치는 분자 구조 운동까지 측정할 수 있다.
개발 장치는 기존에 가장 우수하다고 알려진 미국 스탠퍼드선형가속기연구소(SLAC)의 초고속 전자회절장치(시간분해능 100펨토초)보다 3배 더 빠른 원자의 움직임을 잡을 수 있다.
지금까지 이 기술 분야는 원자의 움직임을 더 빠르게 측정할수록 밝기가 어두워지는 문제가 있었다. 그러나 개발 장치는 미국 SLAC 장치보다 약 100배 더 밝게 관측할 수 있어, 분자 구조 변화를 더욱 선명하게 잡아낼 수 있다.
단순하지만 기발한 '90도 휨' 형태의 독창적인 구조 덕분이다. 전자회절장치는 분자에 자극을 주는 레이저 펄스와 자극에 따른 반응을 포착하는 전자빔을 쏜다. 전자는 서로를 밀쳐내는 특성이 있어 작은 공간에 모으는 것이 어렵다. 기존 연구진은 전자빔 발생 후 시료에 도달하는 시간을 줄여 전자빔이 덜 퍼지게 하는 방법을 선택했다. 그 결과가 '직선형 구조'의 전자회절장치다. 이 구조에서는 많은 양의 전자를 쏘면 전자를 모으기 어렵고, 적은 양을 쏘면 밝기가 약해진다.
연구진은 전자들이 90도를 돌아 나와 시료에 도달하는 90도 휨 구조로 문제를 해결했다. 전자가 90도를 돌아 여러 개 레인을 통해 나오도록 해 원자들이 서로 밀쳐내지 않도록 했다. 그리고 시료에 도달하는 아주 짧은 순간에만 모두 모이도록 했다. 그 결과 속도와 밝기 문제를 동시에 해결했고, 레이저펄스와 전자빔의 분자 도달 시간이 불규칙한 '시간흔들림' 문제도 없앴다.
연구진은 이번 장비 개발로 아토초(100경 분의 1초) 대역 시간분해능 도달까지 가능할 것으로 전망하고 있다.
이기태 박사는 “이번 연구 성과로 초고속 분자구조 변화를 포착하는 것이 가능해졌다”며 “빠르면 2021년부터 해당 장치를 많은 연구자가 사용할 수 있도록 서비스를 제공해 국내 관련 분야의 연구를 발전시키는데 기여하겠다”고 밝혔다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
