□ 연구용 원자로 하나로(HANARO)에서 생산되는 중성자를 에너지를 낮춰 파장을 늘림으로써 나노 과학과 바이오 연구에 활용할 수 있도록 해주는 냉중성자 연구시설이 본격 가동돼 국내외 연구자들에게 개방됐다.

□ 한국원자력연구원(원장 양명승)은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 지난 2003년 7월부터 7년여에 걸쳐 396억 원을 투입해서 개발한 냉중성자 연구시설(CNRF; Cold Neutron Research Facility) 구축을 완료하고, 11월 1일(월) 오전 10시 30분 연구원내 냉중성자 실험동 현장에서 교육과학기술부 등 정부 관계자, 국내외 학계 및 관련 전문가 등이 참석한 가운데 준공식을 가졌다.

○ 냉중성자 연구시설은 연구용 원자로인 하나로에서 생산된 중성자를 영하 250도의 액체 수소로 극저온화한 냉중성자(cold neutron)를 이용, 살아있는 생체 시료의 구조 분석 등 나노 및 바이오 연구, 소재 및 재료 연구 등 다양한 기초과학 및 응용 연구, 산업적 이용을 수행할 수 있도록 설계된 냉중성자 산란장치 7기로 이루어져 있다.

○ 7기의 냉중성자 산란장치 중 40m 중성자 소각산란장치(40M-SANS), 18m 중성자 소각산란장치(18M-SANS), 수직형 중성자반사율측정장치(REF-V), 생체계면 반사율측정장치(Bio-REF) 등 4기는 시험 가동을 완료하고 이날부터 국내외 연구자들이 ‘이용자 시설’로 자유롭게 활용할 수 있도록 공개됐다.

○ 나머지 3기 중 한국과학기술연구원(KIST)과 협력을 통해 구축한 극소각산란장치(KIST-USANS)는 2011년 4월 중에 가동을 개시할 예정이며, 냉중성자 3축 분광장치(Cold-TAS)와 디스크쵸퍼 비행시간분광장치(DC-TOF) 등 2기도 2011년 초 설치, 이후 초기 가동시험을 목표로 개발 중에 있다.

□ 한국원자력연구원은 앞서 지난 2004년부터 4년간 고도의 신뢰성과 안전성, 종합 엔지니어링 기술이 복합적으로 요구되는 냉중성자원과 시설 계통, 중성자 유도관을 자체 개발한 데 이어 냉중성자 산란장치도 자체적으로 개발․설치하고 원자로와 양립운전 등 성능 검증과 안전운영 체계 확보를 완료함에 따라 냉중성자 연구시설을 본격 가동하게 됐다.

○ 현재 전 세계에서 냉중성자 연구시설을 가동하고 있는 나라는 프랑스, 미국, 독일, 호주, 일본, 헝가리 등 6개국으로, 하나로의 냉중성자 연구시설은 지난해 9월 첫 냉중성자 생산 이후 냉중성자속(neutron flux, 1 ㎠의 면적을 매 초 통과하는 중성자의 수)과 생산량 등 냉중성자의 품질 측정 결과 프랑스 ILL, 독일 FRM-2에 이어 세계 3위권의 우수한 성능을 확인한 바 있다.

□ 냉중성자 연구시설 가동으로 중성자 이용 연구가 원자 영역에서 나노 영역으로 확장됨에 따라 마이크론, 나노, 바이오 구조 분석 분야에서 진일보한 첨단 분석이 가능해지고 그동안 국내에서는 어려웠던 비탄성 중성자 산란 연구도 가능하게 됐다.

○ 냉중성자는 4~20 옹스트롬(Å)의 파장을 가지고 있어 1~100 나노미터(nm) 영역의 물질 구조를 연구하는 데 주요한 수단이 된다(1 nm=10 Å). 또한 냉중성자는 X-선이나 레이저와 달리 극히 낮은 밀리전자볼트(meV)의 에너지를 가지기 때문에 살아있는 생체 물질을 파괴하지 않고 볼 수 있어 생명공학 분야 연구개발에 핵심 역할을 수행한다.

○ 냉중성자 산란장치 7기 중 3기의 냉중성자 소각산란장치(SANS)는 고분자, 콜로이드, 자기조립 구조 등 미세구조 측정에 활용된다. 또한 약물전달체계 개발, 구조분석, 고분자의 특성계수 측정, 나노입자 구조 분석에 대한 강점을 이용한 물질 내부 결함과 불균일성 조사, 단백질 복합체 및 결정화 조사 등에 활용될 전망이다.

○ 2기의 냉중성자 반사율측정장치(Reflectometer)는 고체 박막 구조 측정, 인공생체막과 인체 체액 내의 생체분자와의 상호작용 분석, 박막재료의 초임계상태 물질 구조 측정, 박막재료의 자기물질 배향 및 외부 자기장에 의한 금속재료 구조분석 등에 활용된다. 이를 바탕으로 대용량 저장장치(mass storage)용 물질과 구조, 생체 구조 및 대사에 적합한 신물질 및 신약, 약물전달 물질과 그들의 다양한 구조를 연구, 개발하는 데도 활용될 수 있다.

○ Cold-TAS와 DC-TOF는 냉중성자를 이용해서 고분해능으로 비탄성 산란연구를 수행할 수 있는 장치들이다. Cold-TAS는 초거대 자기저항물질, 다강체, 초전도체 등 물리, 화학 및 재료과학의 동력학 연구를, DC-TOF는 분자들의 움직임을 측정, 넓은 에너지 범위의 준탄성(quasi-elastic) 및 비탄성(inelastic) 산란실험, 고체나 액체의 확산운동이나 자기물질과 원자의 진동 여기실험 등을 수행할 수 있다.

※ 비탄성 산란=빛이나 입자(중성자)가 특정 물질에 부딪쳤을 때 부딪치기 전 에너지의 양과 반사되어 나오는 에너지의 양에 변화가 없는 것을 탄성 산란(elastic scattering), 움직이는 물질의 에너지를 받아 반사되는 에너지의 양이 변화하는 것을 비탄성 산란(inelastic scattering)이라고 함. 탄성 산란이 물질 구조 연구에서 물질의 정지된 상태를 포착하는 스냅샷의 역할을 한다면, 비탄성 산란은 반사되는 에너지의 변화를 통해 시간에 대한 정보를 추론함으로써 물질 전체 구조 안에서 원자나 분자의 움직임을 동영상처럼 포착할 수 있게 됨. 이를 통해 비탄성 산란 연구는 살아있는 원자, 분자, 바이오 물질의 움직임을 정밀하게 파악할 수 있음.

□ 냉중성자 연구시설은 하나로 원자로 내에서 이미 운영 중인 열중성자 산란장치 6기와 함께 ‘국가 이용자 시설’(national users facility)로 운영돼 국내외 산학연 이용자들의 기초원천 연구와 이와 연계한 차세대 신산업 창출을 지원하게 된다.

○ 냉중성자 산란장치를 이용한 연구개발 결과는 전자부품, 컴퓨터 칩, 평판 디스플레이 개발에 활용되는 나노소재 원천 기술 개발, 난치병 치료에 활용되는 약물전달 물질 개발 등에 활용되는 등 NT, BT, IT 분야의 융복합 연구를 촉진하고, 나노-바이오 기술을 결합한 차세대 신산업 창출에 이바지할 것으로 기대된다.

○ 한국원자력연구원은 냉중성자 연구시설을 이용한 연구개발 성과를 극대화할 수 있도록 극저온, 고자장, 고압력 등 극한의 시료 환경을 조성할 수 있는 시료환경 장치와 시료준비실을 장치별로 지속적으로 구비하고, 냉중성자 산란장치 자체도 끊임없이 성능과 이용 편의성을 개선할 계획이다.

○ 또한 호주 ANSTO, 미국 NIST, 프랑스 ILL 등 외국의 선진 시설에서 운영하는 이용자 프로그램(users program)과 유사한 ‘중성자빔 활용 프로그램’을 마련, 국내 산학연은 물론 국외 선진 연구자들과 공동 연구와 협력이 활성화되도록 시설 운영과 기술 및 행정 지원에 최선을 다할 계획이다.

○ 양명승 한국원자력연구원장은 “냉중성자 산란장치들이 이용자 시설로 자리를 잡으면 그동안 국내 연구진들이 외국 시설을 이용하면서 시간과 비용을 소비하고 연구 과정에서 우리 기술과 정보가 그대로 노출되는 문제를 해결할 수 있게 된다”며 “세계 최고 수준의 연구용 원자로를 이용한 냉중성자 산란장치들을 국내외 과학자들이 효율적으로 활용할 수 있도록 앞으로 장치 안정화와 이용자 지원 프로그램 정착을 위해 노력하겠다”고 밝혔다.

<붙임> 1. 냉중성자 연구시설 관련 개념 설명

2. 냉중성자 산란장치 사진 및 설명