연구용 원자로 하나로(HANARO)에서 생산되는 중성자를 에너지를 낮춰 파장을 늘림으로써 나노 과학과 바이오 연구에 활용할 수 있도록 해주는 냉중성자 연구시설이 본격 가동됐다. 아울러 국내 연구진에 이용자 시설로 개방돼 연구활성화에 크게 기여할 전망이다.

이 연구시설은 한국원자력연구원(원장 양명승)은 교육과학기술부 원자력연구개발사업의 일환으로 지난 2003년 7월부터 7년여에 걸쳐 396억 원을 투입, 개발했다. 원자력연구원은 최근 냉중성자 실험동 현장에서 교육과학기술부 등 정부 관계자, 국내외 학계 및 관련 전문가 등이 참석한 가운데 준공식을 개최했다.

현재 세계에서 냉중성자 연구시설을 가동하고 있는 나라는 프랑스, 미국, 독일, 호주, 일본, 헝가리 등 6개국.

특히 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.

양명승 한국원자력연구원장은 이날 환영사를 통해 “냉중성자 연구시설은 우리나라의 주요 거대 연구시설로서, 기초과학과 응용분야는 물론 다양한 산업 분야에서 광범위하게 이용됨으로써 나노과학, 바이오기술, 환경기술 등 국가과학기술 발전에 필수적인 핵심 국가 연구기반시설이 될 것”이라고 강조했다.

양 원장은 “냉중성자 연구시설이 가동되면 목적과 이용 분야별로 다양한 중성자 산란장치들을 운영하고, 전문인력을 기반으로 국내외 산학연 및 관련기관과의 공동 이용, 연구를 통해 아시아 태평양 지역의 중요한 중성자 산란 연구거점으로 도약할 것이라고 확신한다”고 강조했다.

홍남표 교육과학기술부 원자력국장은 축사를 통해 “냉중성자 연구시설은 우리 원자력계의 자랑인 하나로에서 생산한 고품질의 냉중성자와 우리 기술로 구축한 7기의 냉중성자 산란장치를 활용하면 나노 및 바이오 분야에서 진일보한 첨단 구조해석 연구와 비탄성 중성자 산란연구가 가능해질 뿐 아니라, 연구개발 결과들은 나노 소재 원천기술 개발, 약물전달 물질 개발 등 NT와 BT, IT 분야의 융복합 연구에 활용돼 차세대 신산업 창출에까지 기여하게 될 것”이라고 강조했다.

#냉중성자 연구시설은?
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 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.

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 다한다는 계획이다.

#본격 가동 의미는?                                                                                                                                   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.

또 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.

#누가 무엇을 기여했나?                                                                                                                            한편, 이날 준공식에서는 김중겸 현대건설 대표와 김동욱 현대엔지니어링 대표 등 대기업 2곳과 박동학 (주)수력 대표, 조성은 (주)무진기연 대표 등이 양명승 원장으로부터 냉중성자 연구시설 건설에 기여한 공로를 인정받아 감사패를 받았다.

이번 공사에서 현대건설은 냉중성자원 시설계통 및 수조내기기 설치공사를, 현대엔지니어링(주)은 냉중성자원 시설계통 상세 설계를 도맡았다.

특히 중소기업인 (주)수력은 냉중성자 유도관 차폐체 및 주개폐기의 설계와 제작을, (주)무진기연은 냉중성자 감속기 및 수조내기기 제작을 성공적으로 완수해 하나로 냉중성자연구시설을 세계적 연구시설로 구축하는데 크게 기여한 것으로 알려졌다.

양명승 원장은 이날 국가 기반 연구시설인 하나로의 중요 활용시설인 냉중성자 연구장치 완성에 이들 기업들이 크게 기여해 우리나라 원자력 기술 발전에 이바지한 공로가 크다며 감사패를 수여했다.

박해성 기자/xyz@epetimes.com