펨토초(Femto Second)는 시간의 단위로 1 펨토초(fs)는 1000조분의 1초에 해당한다. 일반적으로 머리카락 하나의 두께는 약 70마이크로미터(μm) 정도인데 100 펨토초라고 하더라도 빛이 머리카락 두께의 반도 진행하지 못하는 상상하기 힘들 정도의 짧은 시간에 불과하다. 펨토는 나노(Nano, 10억분의 1), 피코(Pico, 1조분의 1) 다음에 오는 단위이다. 요컨대 펨토과학은 원자의 운동 및 물질의 화학 반응 등 찰나의 시간에 일어나는 세계를 들여다보는 연구이므로 그동안 과학이 풀지 못한 대부분의 수수께끼가 풀릴 것으로 전망되고 있다. 19세기 이전만 하더라도 인간의 인식은 시각과 청각에 의존해왔다. 결국 눈의 깜박임(약 0.1초)이나 귀의 반응(약 0.1 밀리초)보다 빠른 운동은 인간의 탐구영역을 넘어서는 것으로 여겼다. 그러다 19세기에 들어서서 스냅사진술 등의 개발로 이러한 한계가 깨지게 되어 1초 이하 영역의 시간안에 일어나는 현상을 측정할 수 있게 됐으며 20세기 중반에 이르러 스트로보스코프(섬광촬영장치)의 발전으로 밀리 초에서 마이크로 초의 정밀도까지 측정이 가능하게 됐다. 1980년대에 와서는 레이저 기술의 급속한 발달로 10억배의 정밀도 향상을 가져와 드디어 원자나 분자의 운동을 측정할 수 있는 펨토초 영역에까 지 도달했다. 고등광기술연구소 펨토과학연구실 (실장 최일우)에서는 이러한 펨토기술과 펨토과학 분야를 집중 연구하고 있다. 최일우 실장은 “펨토과학과 펨토기술은 응용분야와 파급효과가 아주 커서 물리학·화학·생물학을 비롯한 기초과학으로부터 정보기술(IT)·생명기술(BT)·나노기술(NT)·우주기술(ST)·환경기술(ET)등의 많은 응용분야가 있다”면서 “연구실에서는 본격적인 펨토과학 연구를 통해 우리나라가 광기술 선진국으로 진입하는 데 기여하는 것을 목표로 하고 있다”고 말했다. 펨토과학의 성공 여부는 아주 짧은 시간폭과 우수한 공간 품질을 가지는 다양한 극초단 이차 선원(엑스선, 전자, 양성자 및 이온)의 확보에 달려 있다 해도 과언이 아니다. 극초단 이차 선원은 극초단 초고출력 레이저를 표적에 집속할 때 발생하는 수 나노미터 파장을 가진 엑스선, 수 기가(10억) 전자볼트의 에너지를 가진 전자빔, 수백 메가(1백만) 전자볼트의 에너지를 가진 양성자 및 이온빔을 말한다. 기존의 가속기에서 발생하는 방사선원을 이용하여 이루어지던 다양한 기초연구와 응용연구를 극초단 이차선원으로 수행할 수 있는데 기존 가속기에 비해 더 짧은 시간 분해능과 우수한 공간 분해능을 가지고 자연현상을 탐구할 수 있다. 연구실은 국내에서는 펨토과학 관련 분야 연구의 선두주자다. 현재 미국, 영국, 독일, 프랑스, 일본 등 해외 선진국에서는 극초단 레이저 펄스 자체와 극초단 이차 선원을 이용한 초고속, 초정밀 계측에 대한 연구가 광범위하게 이뤄지고 있다. 하지만 국내에서는 초보적인 수준을 벗어나지 못해 종합적이고 체계적인 펨토과학 연구가 시급하다는 지적이 오래전부터 제기돼 왔다. |
또한 연구시설은 국가 이용자 연구시설 개념이 도입돼 이용자 그룹이 각각의 연구주제를 갖고 창의적 연구와 실험을 할 수 있으며 펨토과학연구실은 연구시설의 운영 및 이용 활성화, 이용자와의 공동연구를 주도하고 있다. 이미 연구실은 십 나노미터급의 파장을 가진 엑스선 레이저를 개발하고 이를 이용하여 수십 나노미터급 영상을 얻는데 성공하였으며 ,기가 전자볼트급의 전자빔을 발생시키고 이를 이용하여 엑스선 파장 영역의 언듈레이터 방사광을 발생시키는 시도를 하고 있다. 또한 현재까지 발생된 양성자의 최대 에너지는 천만 전자볼트 수준이며 향후 라디오그라피, 암치료 기초연구에 활용할 예정이다. 최실장은 “향후 페타와트(1 PW=1000조 와트)급 극초단 초고출력 레이저가 구축될 경우 초고강도 전자기장 과학 연구, 상대론적 현상 연구, 고에너지 및 핵 물리학 연구, 천체 및 우주 물리학 연구 등 새로운 학문 분야 개척에 활용할 수 있을 것으로 예상된다”면서 “극초단 광양자빔을 이용한 물질의 극초단·극미세계 현상 구명, IT·BT·NT와의 융합기술 및 실용화 기술을 개발할 계획”이라고 설명했다. 그는 “국내외 연구소와 협력해 공동연구를 활발하게 실시하는 동시에 핵심부품과 장치 제작, 과학자 초청 자문 등의 사업도 벌이고 있다”면서 “우리나라가 펨토과학 기술의 선진국으로 진입할 수 있는 발판을 구축하는 데 최선을 다하겠다”고 밝혔다. 더타임스 -마태식 |
