미지의 세상 그리고 빛 공장을 돌아보다

▲포항공과대학교내에 위치한 '포항나노기술집적센터'유용주

▲ 포항공과대학교내에 위치한 '포항나노기술집적센터' ⓒ 유용주

새로운 산업의 원동력을 이끄는 ‘포항나노기술집적센터’를 가다.

지난 11월 28일, 우연히 일정이 잡혀서 갔던 포항공과대학교(이하 포항공대)내에 위치한 포항나노기술센터.

포항나노기술집적센터(이하 포항나노센터)는 지난 2004년 지식경제부, 포항공대가 주관이 되어 ‘나노소재 및 재료 기술을 대상으로 연구 개발부터 산업화까지 지원 가능한 인프라 구축’이라는 목표아래 건립되었다.

총 136개 기관이 컨소시엄에 참여하였으며, 나노소재, 재료 분야 연구개발 및 산업화 지원 및 플렉시블(유연성) 디스플레이 핵심재료 개발, 나노소재에 대한 극미세 분석을 중점지원하고 있다.

여기서 핵심이 되는 ‘나노(nano)’란 그리스어로 '난쟁이‘를 뜻하는 ’나노스(nanos)'를 뜻한다. 이것을 길이의 국제표준단위인 1미터로 환산하면 10억분의 1미터(10의 -9) 에 해당하는 아주 미세한 길이의 표현으로 기호는 1nm(나노미터)로 나타낸다.

▲ 이러한 장비들이 있어요. 한 연구원이 연구소내 장비들을 설명하고 있다. ⓒ 유용주

이 나노의 개념을 과학기술에 접목시킨 것이 바로 ‘나노기술’이다. ‘나노기술’은 전자, 생물, 화학 등 여러 분야에 활용될 수 있으며, 반도체 분야를 예를 들면 반도체의 미세한 부분까지 연구하고 제조할 수 있어서 더욱 정교한 반도체를 제조할 수 있는 것이다.

이러한 나노기술의 특징과 고도의 경제성 덕분에 우리나라는 지난 2002년 ‘나노기술개발촉진법’을 제정하여 국가적으로 나노기술을 육성 및 발전시키고 있으며, 그렇게 생긴 것이 나노기술 클러스터이다. 나노기술 클러스터는 크게 두 분야인 반도체, 디스플레이 분야에서 다시 소자, 장비, 재료 별로 세분화 시켜 그 권역을 나눈 것으로 크게 5개 권역으로 나뉘어져 있다.

현재 그 권역에 자리 잡은 나노연구센터는 총 5곳이 있으며, 교육과학기술부(이하 교과부)가 주관하는 수원과 대전 2곳과 그리고 지식경제부가 주관하는 포항(경북), 전북, 광주 3곳이 있다.

그 중에 포항나노센터는 반도체와 디스플레이의 재료를 담당하고 있다. 나노센터의 시설로는 크게 연구행정을 담당하는 R&D동, TP R&D동과 실제 나노기술 연구 작업을 할 수 있는 클린룸 등이 있다. 클린룸은 다시 ‘클래스’라는 단위로 나뉘게 되는데 100단위에서 10000단위까지 세분화 되어 있다. 여기에서 실제로 반도체 패턴 작업 및 실제작업이 진행된다. 이 클린룸은 슈퍼클린구역으로 정해져 있어서 특수한 작업복을 입어야만 들어갈 수 있다.

장비로는 반도체 관련 장비인 반도체 패턴 장비부터 시작하여 디스플레이 장비 등 무려 64가지의 관련 장비를 보유하고 있다. 또한 이 장비들은 관련 기업체 등에 연구지원을 하는 것에도 이용되며 성능평가 및 인력양성에도 이용되고 있다.

▲ 포항 방사광 가속기 연구소 입구의 모습. ⓒ 유용주

‘Light Factory(빛 공장), 포항 방사광 가속기 연구소’

포항나노집적연구센터에서 얼마 떨어지지 않은 10여분 정도의 거리를 가다보면 ‘국가기반 연구시설’인 ‘포항 방사광 가속기 연구소’를 볼 수 있다.

포항 방사광 가속기 연구소는 1988년 포항공대와 당시 포항제철(현 포스코)이 합동으로 건설을 추진하여 1994년에 완공되었다.

여기서 ‘방사광’이란 ‘전자’를 빛의 속도로 가속시켜 전자석 사이의 자기장에서 힘을 받아 휘어질 때 방출되는 전자파의 일종이다. 이것은 태양의 수억배 이상, 적외선으로부터 X선 영역까지 넓은 파장과 그리고 레이저와 같이 퍼짐이 작아서 매우 유용한 빛이다. 그리하여 방사광은 물리, 화학, 환경공학, 의학 등 기초 및 응용과학 분야에 널리 활용된다.

이 방사광 연구소의 주요구성은 크게 선형가속기와 저장링, 빔라인으로 나눠진다. 선형가속기는 전자를 빛의 속도로 가속시키게 되는데, 그 가속된 빛은 둘레 280미터의 ‘저장링’이라는 곳으로 이동하게 된다. 그 후에 저장링의 각 36개 모서리에 위치한 2극전자석에 의해 10도씩 방향을 바꾸면서 저장링에서 돌게 되는데, 그 방향을 바꾸면서 나오는 빛이 바로 연구에 이용될 수 있는 ‘방사광’이다.

▲ 저장링내에 위치한 빔라인 X선 빔라인의 중 하나인 '4A HFMX' 빔라인의 모습 ⓒ 유용주

이 방사광은 실험 목적에 맞게 나누어 실험 장소에 전해지는데 그 전해지는 곳을 ‘빔라인’ 시설이라고 한다. 빔라인은 종류별로 자외선 빔라인 10종류, X선 빔라인 21종류로 총 31기의 빔라인이 있다. 그 중 4기는 건설 중에 있다.

이렇게 빔라인이 여러 종류로 나오는 이유는 각 빔마다 주파수가 다르기 때문에 나오는 원리이며, 이 빔라인을 사용하려면 사용 신청후 승인이 되면 그 다음해에 이용할수 있다.

또한 몇개의 빔라인은 포스코, KIST(한국과학기술연구원)등의 전용빔라인으로 지정되어 있다.

이렇게 나온 방사광은 각종 연구 분야에 활용되는데, 철강, 의학, 생명공학, 표면과학, 화학등에 이용되며 대표적으로 철강분야에는 고부가 가치강 개발, 화학공학 분야의 반도체형 광촉매, 에너지 소재 개발을 예로 들 수 있다. 또한 나노기술 연구에도 이 방사능 가속기가 이용되기도 한다.

포항 방사광 가속기는 세계에서 5번째로 건설되었으며, 첨단기술로 다양한 방사광을 낼 수 있는 3세대 방사광 가속기이다. 3세대 방사광 가속기는 전 세계에서도 10여기 정도 운영 또는 건설 중이다.

그리고 포항 방사광 가속기가 건설 된지 15년이 된 지금, 개방당시(96년) 대비 이용인원이 7.5배, 과제 수는 무려 10배 이상 증가했고 연간 2,000여명의 국내외 과학자들이 이 포항 방사광 가속기 연구소를 이용하고 있다.

또한 연구소 관계자는 ‘현재 4세대 방사능 가속기가 개발 중이며 정확히 정해진 것은 아니지만 몇 년 이내로 가동준비를 할 수 있을 것’이라고 말했다.

대한민국의 첨단 과학기술을 이끄는 포항 나노기술집적센터와 방사광 가속기 연구소는 21세기 과학 대한민국의 미래와 그 무한한 가능성을 보여주는 것이라고 할 수 있을 것이다.