d라이브러리

식물에서 광합성이 일어날 때 엽록소 분자가 에너지를 전달하는 데 시간이 얼마나 걸릴까? 수소 원자에서 전자 가 원자핵을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은? 정답은 각각 350펨토초와 0.15펨토초. 1펨토초는 1000조분의 1초로 눈 깜빡할 사이(약 0.1초)에 비할 수 없게 짧은 ‘찰나의 시간’이 다. 세상에서 가장 빠르다는 빛도 1펨토초 동안 머리카락 한 올의 굵기를 관통하기조차 너무 벅차다.

국내 광과학기술 연구의 중심지인 광주과학기술원 고등 광기술연구소(APRI). 방진복을 갈아입고 방진모를 뒤집어 쓴 채 에어 샤워를 하고 작은 실내체육관만 한 건물에 들어 서자 저 멀리서 초록빛 레이저가 눈에 들어온다. 이 건물은 지난해 11월 3일 고등광기술연구소에 건립된 극초단 광양 자빔 특수연구동이다. 먼지 하나 없이 깨끗하게 유지되는 이곳에서 펨토초의 세계가 펼쳐진다.

미시세계 동영상 촬영에서 병든 세포 수술까지
“10~50펨토초 동안만 깜빡이는 형태(펄스)의 레이저, 일명 극초단 광양자빔을 발생시켜 화학결합이 일어나는 과정을 순간순간 찍어 ‘동씁상’으로 나타낼 수 있습니다. 또 순식간 에 고에너지를 집중시킬 수 있어 병든 세포 하나까지 정묀 하게 수술하거나 기존 레이저로 가공하기 힘들었 던 재료도 수백nm(나노미터, 1nm=10^-9m)까지 초정묀 가공을 할 수 있습니다.”

광주과학기술원 펨토과학기술연구센터 극초단 광양자빔 연구시설 구축사업 책임자인 이종민 석좌교수의 설명이다. 펨토과학은 미국 캘리포니아공대 아흐메드 즈웨일 교수가 이 같은 펨토 초 레이저로 요오드화나트륨이 요오드와 나트륨으로 갈라 지는 순간을 찍어 1999년 노벨화학상을 받자 각광받기 시 작했다. 또 초고출력 레이저는 2004년 경제협력개발기구 (OECD) 세계과학포럼(GSF)에서 차세대 과학기술 5대 분 야 중 하나로 선정되기도 했다.

아시아 초고강도 레이저위원회 의장이기도 한 이 교수는 “시간의 극한을 추구하는 펨토과학기술은 공간의 극한을 추구하는 나노과학기술과 함께 21세기 과학기술을 이끌 새 로운 패러다임”이라며 “나노물질이 제대로 작동하려면 펨 토기술의 도움이 필요하다”고 말했다.

특수연구동에는 극초단 광양자빔을 초고출력으로 증폭 하는 장치(레이저 증폭기)를 구축 중이다. 연구팀은 2005 년 100테라와트(1테라와트는 1조 와트) 레이저 증폭기를, 2007년에는 300테라와트 레이저 증폭기를 각각 구축하는 데 성공했다. 현재는 500테라와트 레이저 증폭기를 만들기 위해 노력 중이다. 전 세계에서 순간적으로 만들 수 있는 전 력이 10조 와트 미만이란 점을 감안하면 이들 레이저의 출 력 세기를 가늠할 수 있다. 2012년까지 국가에서 총 649억 원을 지원받아 모든 시설을 갖추고 순간 최대 출력이 1000 테라와트(1페타와트)에 이르는 차세대 초강력 레이저를 발 생시킬 계획이다.
고등광기술연구소 이인원 소장은 “극초단 고출력 레이저 개발이 연구소의 특성화 분야”라며 “이를 바탕으로 세계 6 대 광 연구소로 성장할 수 있을 것”이라고 포부를 밝혔다.

탁상형 소형가속기 가능
레이저의 출력을 획기적으로 높일 수 있는 아이디어를 내 노벨상에 근접해 있다는 프랑스 광응용연구소(LOA) 제라 드 무루 소장은 지난해 11월 3일 극초단 광양자빔 특수연구 동 준공식에 참여해 이곳 시설을 부러워하는 축사를 했다.

무루 소장의 부러움을 샀던 이유는 바로 특수연구동에 극 초단 광양자빔을 이용해 전자 빔, 양성자 빔을 가속시키고 X선 레이저를 발진시키는 전용시설을 모두 갖추고 있기 때 문. 실제 성과도 잇달아 쏟아지고 있다. 2006년 3월 25테라 와트급 레이저로 양성자 빔을 발생시킨 데 이어 같은 해 7월 100테라와트급 레이저로 X선 레이저를 발진시키는 데 성공 했다. 이 교수는 “양성자 빔은 암세포를 효과적으로 파괴할 수 있고, X선 레이저는 기존 X선과 달리 단일 파장으로 구 성돼 훨씬 더 선명한 X선 씁상을 얻을 수 있다”고 밝혔다.

지난해 9월에는 초고출력 레이저를 이용해 가로 1.5m, 세로 1.2m의 소형 사각 챔버에서 1GeV(기가전자볼트, 1GeV=10억eV)의 에너지를 갖는 안정된 전자 빔을 가속하 는 데 성공해 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 포토닉스’에 발표하 는 성과도 거뒀다. 네이처 포토닉스 측에서는 논문뿐 아니 라 저자인 이종민 교수 인터뷰와 함께 소형가속기 개발 가 능성을 보여준 획기적 성과라고 평한 세계 초고강도 레이저 위원회 의장인 타지마 도시키 교수의 해설도 실었다. 이 교 수는 “탁자에 올려놓을 정도로 작은 전자가속기를 실용화 할 수 있을 것”이라고 설명했다.

현재 이 교수팀은 국제 초고출력 레이저 네트워크에 참여 하고 있으며 극초단 광양자빔 연구시설을 이용해 국내 주요 대학은 물론 독일, 씁국, 체코, 일본 등과 공동 연구도 활발 하게 진행하고 있다. 이 교수는 “고성능 레이저를 갖고 노벨 상을 받을 만한 세계 수준의 연구성과를 낼 수 있으며 BT, NT, IT와의 융합기술을 실용화할 수 있는 곳이 바로 이곳” 이라며 “광학, 응용물리, 신소재, 천체물리, 원자물리, 생명 현상, 화학반응 등에 관심 있는 사람이면 누구나 동참할 수 있다”고 말했다.