물리학과 첨단기술 January/February 2007 17
첨단 연구장비 개발 사업
유 종 신
저자약력
유종신 박사는 미국 미시간 주립대 화학과 이학박사(1991)로서 미국 하
버드대에서 박사후 연구원(1991-1993)을 거쳐, 현재 한국기초과학지원연
구원 연구장비개발부 부장으로 재직 중이다
재 우리가 살고 있는 시 를 융합의 시 라고 한다. 과학
의 발달과 더불어 물리, 화학, 생물, 자공학, 재료공학, 기계공학 등의 과학기술이 학문 사이의 역을 넘어서 물질, 인간 생명, 우주의 미지를 탐구하기 하여 서로 융합하여
효과를 극 화하는 시 가 도래한 것이다.물질계를 지배하는 주요 요소로서 자기장, 온도 압력을
들 수 있다. 이 에서 자기장은 물질을 비 , 비 괴 으
로 분석할 수 있을 뿐 아니라 물질계의 제어도 가능하다. 즉, 자기장 환경을 이용하여 물질의 평가가 가능하다. 자기장 환
경 하에서 물질의 열 , 자기 성질이 어떻게 변하는가, 물질의 구조가 어떻게 변하는가 등을 통하여 물질의 본성을
조사할 수 있다. 자기장을 이용한 물성 연구로서 반도체 연
구, 양자물성의 연구 등을 들 수 있으며, 양자홀 효과 등 노
벨 물리학상도 다수 수상하 다. 한 최근에는 고자기장 환
경을 이용한 화학, 생물분야에의 연구도 활발하다. 생명과학
분야에서는 단백체의 성질을 규명하기 한 연구(Proteomics)가 활발히 연구되고 있으며, 단백질의 구조를 밝히기 한
요한 연구수단의 하나로서 최근 21테슬라 (900 MHz) 고자기장 도자석을 이용한 NMR 장치로 단백질 구조분석을
하고 있으며 궁극 으로 1.2 GHz(28.2테슬라) 의 도자
석을 이용한 NMR 시스템으로 연구할 수 있게 되기를 기 하고
있다. 한 화학 생물 등에서 물질의 특성을 연구하기 한
질량분석법에서도 최근에는 FT-ICR(Fourier Transformed Ion Cyclotron Resonance) 질량분석법을 하여 15테슬라 도
자석을 이용한 질량분석기가 KBSI NHMFL에서 개발되었으
며, 더 정 한 질량분석을 하여 향후 21테슬라 도자석
을 이용한 FT-ICR 질량분석기 개발을 고려하고 있다.이 뿐만 아니라 자기장 환경을 이용하여 물질의 제어가 가
능하다. 즉, 자기장 환경 하에서 물질의 합성, 결정성장 화
학반응을 제어함으로서 새로운 물질의 합성 는 더 좋은 품질
의 물질을 만들어 낼 수 있다. 구경 실리콘 단결정의 성장에
서도 결정의 직경이 커질수록 용융상태에서의 류 상 등의
문제가 있으나 ~3테슬라 후의 자기장 환경 하에서 결정성장
을 함으로 좋은 결과를 얻고 있다. 화학 고분자 합성에서도
자기장을 이용하여 분자의 스핀계를 제어함으로 다양한 결과를
얻을 수 있으며, 자기장 환경 하에서 단백질 결정성장을 하여
더 좋은 결정을 얻고 구조분석을 명확히 잘 할 수 있다. 이와 같이 자기장 환경은 물질, 화학계, 생물계와 상호작용
하여 다양한 효과를 만들어낼 수 있는 흥미로운 가능성을 가
지고 있다. 즉, 자기장 환경을 이용한 새로운 물질계의 개발
과 가능성의 발 을 기 할 수 있다. 기 과학지원연구원의 연구장비개발부에서는 첨단 연구분
석장비의 개발과 국내외 연구자에게 연구환경을 제공하기
하여 고자기장, 극 온, 정 기술을 이용한 연구장비개발
을 수행하고 있으며 이에 해서 소개하고자 한다.
고분해능 질량분석기 시스템 개발
질량분석기개발 에서는 기장과 자기장을 이용하여 이온
상태로 하를 띤 분자의 질량을 측정하는 질량분석기를 제
작하고 있다. 재 개발 인 질량분석기는 존하는 가장 높은
분해능을 갖는 15 T(Tesla) 푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공
명 질량분석기(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer: FT-ICR MS)를 개발하고 있다. 질량이
란 표 인 불변량 에 하나로 어떠한 서로 다른 상황에서
도 그 물체가 갖고 있던 질량의 값은 불변이라는 것이다. 이러한 불변량들은 모든 상을 찰하고, 분석하여 요한 정
보를 제공할 수 있는 단히 요한 지표가 된다. 우리는 물
체의 질량을 울로 측정하고 있지만 원자나 분자 수 의 물
체들은 일반 인 울로 측정하는 것이 불가능하다. 1897년
J. J. Thomson은 그때까지 단지 의 일종일 것이라고 생각
해오던 자가 음의 하를 띠는 입자이며, 자의 하
물리학과 첨단기술 January/February 2007 18
그림 1. 하전입자의 싸이클로트론 운동
그림 2. 35Cl+와 35Cl-의 질량스펙트럼.
질량비(q/m)가 아래 식과
같이 자장 내에서의 하
의 운동을 이용하여 실험
으로 측정될 수 있음을
보고하 다. M은 하의
질량, r은 회 반경, q는
하량, B는 자기장이고
v 는 하의 속도이다. 의 로 츠 힘에 따라서 자기장의 세
기와 하의 속도를 알고 있다면 회 반경 r을 측정하여 미
지의 하를 띤 입자가 갖는 하 질량비를 측정할 수 있
다. 이러한 측정방법은 여러 형태로 변형되어 원자나 분자단
입자의 질량을 측정하는 질량분석기에 활용되고 있다.
rBv
mqqvB
rmvBqvF =⇒=⇒×=
2
푸리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량분석기(FT-ICR MS)도 유사하게 하를 가진 이온이 자기장 내에서 이온의
질량과 하에 의하여 특성주 수(ion cyclotron resonance frequency)를 갖는 회 운동을 한다는 사실을 활용하여 그
특성 주 수를 측정하여 하 된 분자의 질량을 측정하는 장
비이다. 이 특성주 수를 측정하면 우리는 아래의 식에 보인
바와 같이 자기장 세기(B0), 하수(q ), cyclotron 진동수(Vc)로부터 질량을 측정할 수 있게 된다.
0
7
/10535611.1
2B
zmv c
c×
==πω
vc: [Hz], B0: [tesla], q: 하수
이 식에서 cyclotron 진동수는 기 이온 운동 속도에 무
하게 그 이온의 질량 하비(m/z)에 의해 결정되어 질량
분석기로써의 성질을 보이며, 특히 기존 질량 분석기와 달리
이온의 운동에 지 분포에 무 하게 정확한 질량을 측정할
수 있어 질량분석에서 고분해능을 보인다. 보통 cyclotron 진동수는 7T (proton NMR 300 MHz에 해당) 자기장에서 수
MHz에서 KHz의 값을 보인다. FT-ICR MS는 분해능과 감도
가 뛰어난 질량분석기로 실제로 분자의 경우 10-1 Da까지
도 정확히 측정한 가 있다. 스펙트럼은 FT-ICR MS의
고분해능 기능을 보여주는 표 인 이다. 염소 원자의 음
이온과 양이온의 질량을 측정한 로 두 peak간의 간격은
자 두 개의 질량 차이로 분해능(M/dM)은 1,000,000 이상이
다. Marshall 교수와 Comisarow 교수가 1974년 공동으로
발명한 이후 이제 30년이 넘도록 발 해 온 FT-ICR MS는
세계 으로 650여 가 기 과학 연구용 장비로써 학에
서 뿐만 아니라 국립연구소, 각국의 제약회사, 생명과학회사, 석유회사 등 규모 산업체연구소 등에서 질량분석장비로 활
발히 활용되고 있다.국내에서 아직 이러한 응용이 효과 으로 이루어지지 못하
고 있어 한국 기 과학지원연구원에서는 미국립고자기장연구
소(National High Magnetic Field Laboratory: NHMFL)와
공동으로 15T FT-ICR MS를 재 개발하고 있으며, 2008년부터 국내 연구자들을 하여 활용할 계획이다. 재 개발되
고 있는 FT-ICR MS는 외부의 이온화원(ESI, MALDI, EI), 생성된 이온을 RF 기장(Quadrupole Mass Filter)을 이용하
여 특정한 이온만을 선별하는 이온선별 , 비활성 기체와 충
돌에 의하여 달된 이온을 축척하고, 이온에 충돌 에 지를
가해 작은 조각이온으로 분해하는 충돌 (Collision Cell), 장된 이온을 고자기장의 자석 내부로 송하는 이온 송 , 고자기장의 도 자석 심에 있는 송된 이온을 특성주
수(ICR frequency)로 활성화하고 검출하는 ICR 트랩, 그리
고 이들 각각의 장치들이 이온의 생성에서 측정까지 정확한
순서로 작동하도록 조 하는 자 제어부분 등으로 구성되어
있다. 재 장치 개발의 인 성능 개선 사항은 측정의
분해능 향상과 신호의 감도이다. 이를 하여 각각의 부분에
서 최소한의 손실로 이온의 송이 이루어질 수 있도록 효율
인 이온가이드(guide)를 제작하고, 축척되는 이온 장
역을 늘려 동 역(dynamic range)을 증가시켜 량 시료
의 극미량 시료를 검출할 수 있도록 하고, 새로운 극을
추가하여 트랩 검출 감도를 향상시키는 등 다양한 요소 기술
을 개발하고 있다. 한 ICR 트랩은 트랩의 구조를 최 화하
물리학과 첨단기술 January/February 2007 19
그림 3. 기초과학지원연구원 15T FT-ICR MS.
300.10
2
4
6
8
0
5 mDa
300.12
300.10 300.12
2
4
6
8
0
1 mDa
300.10 300.12
2
4
6
8
0
0.1 mDa
분해능 ~ 300,000
분해능 ~1,000,000 이상
분해능 ~ 60,000
가능한
물질수
디지탈 카메라(화소수)
FT-ICR(고자기장)
단일 물질로 인식
3가지 물질로 인식
4가지 이상의 물질로 인식
더 높은 해상도
정확도
정확도
저분해능
고분해능
7 T
21 T
300.10
2
4
6
8
0
5 mDa
300.12
300.10 300.12
2
4
6
8
0
1 mDa
300.10 300.12
2
4
6
8
0
0.1 mDa
300.10
2
4
6
8
0
5 mDa
300.12
300.10 300.12
2
4
6
8
0
1 mDa
300.10 300.12
2
4
6
8
0
0.1 mDa
분해능 ~ 300,000
분해능 ~1,000,000 이상
분해능 ~ 60,000
가능한
물질수
디지탈 카메라(화소수)
FT-ICR(고자기장)
단일 물질로 인식
3가지 물질로 인식
4가지 이상의 물질로 인식
더 높은 해상도
정확도
정확도
저분해능
고분해능
7 T
21 T
그림 4. 질량분석기의 분해능과 자기장 세기.
고, 기 이온 신호를 증폭하는 단증폭기의 감도를 향상시
키기 한 극 온 단 증폭기를 제작하고 있으며, 각 이온
조 요소들을 효율 으로 제어하기 한 제어 자 장치가
고속분석 분석의 재 성을 하여 개발되고 있다.고분해능 FT-ICR MS의 장 은 마치 화소수가 높은 디지털
카메라의 성능과 비교할 수 있다. 그림은 화소수가 높은 디지
털 카메라가 에 찰하지 못했던 상세 정보를 제공하는 것
과 분해능이 증가한 FT-ICR MS가 에 찰하지 못했던 미
지의 분자를 찾을 수 있음을 비교하여 보여주는 시이다. 따라
서 고자기장 FT-ICR MS개발은 이제까지 찰하기 어려웠던 미
지의 물질을 찾을 수 있는 기회를 한층 증가시킬 것이다. 높은
분해능을 이용하여 보다 근본 인 질문에 도 하고 있는 유럽의
경우, 독일의 GSI와 스 스의 CERN에서는 자연에 존재하는 원
소를 포함해서 가속기로부터 핵변환기술로 생성되는 새로운 원
소들 에 아직 정확한 질량이 측정되지 못한 많은 원소들이
부분이 생성량이 작고 수명(life time)이 짧은 원소들로 기존
의 방법으로는 정 한 질량의 측정이 어려워 SHIPTRAP과
ISOLTRAP과 같은 ICR Trap을 활용한 검출기를 제작하여 이러
한 원소들의 질량을 보다 정 하게 측정하고 있다. 이와는 별도
로 높은 하량을 갖는 유사수소이온(hydrogen-like ion)에서
구속된 자의 g-factor(magnetic moment)를 실험 으로 측정
하여 coulomb fields 하에서의 quantum electrodynamics 이론을 연구하기 하여 “HITRAP”이라는 장치를 개발 에 있다. 이 외에 재 가장 활발히 활용되는 분야 하나는 그 감도의
우수성과 고분해능을 활용한 거 단백질 검출 구조 분석을
가능하게 하여 생명과학을 연구하는 분야이다. 인간 생체 내
의 단백질들이 어떻게 상호작용하여 생체 변화를 발생시켜
생명의 탄생에서 진화, 사, 노화, 질병, 죽음에 이르는 모든
상을 일으키는지 설명하는 요한 도구로 사용되고 있다. 특히 단백질체학(proteomics), 유 체학(genomics), 사체학
(metabolomics), 신약개발(drug discovery) 등 인의 질병
을 치유하기 한 체계 인 연구를 수행하기 한 가장 핵심
인 도구 하나로 자리잡고 있다. 이제 한국기 과학지원연구
원 질량분석기개발 에서는 인류 유의 고분해능을 보유한
고성능 질량분석기 15T FT-ICR MS 개발로 미지 세계로의 도
을 시작하고자 한다.
고자기장 연구환경 개발
고자기장 연구장치는 과학에서 방사 가속기, 성자
발생자치와 더불어 3 기본 연구장치이다. 1984년 미국
통령 과학기술 자문회의의 요청에 의해 미국 국가연구 원회
는 “물성연구를 한 주요 연구시설”이라는 제목의 보고서를
통하여 물성연구의 발 을 해 미국이 국가 으로 추진하여
할 3 형 물성 연구시설로 가속기 연구시설, 성자 산란
연구시설 그리고 고자기장 연구시설을 추천하고 있다.물질의 자기 특성을 극 온, 고자기장 하에서 측정함으로
써, 새로운 양자물성을 발견하고 그 응용성을 개발하고자 하
는 노력이 세계 으로 단히 활발히 진행되고 있다. 시으로 볼 때 고자기장 환경에서의 연구동향은 다음과 같다.
- 1960년 : ~bulk- 1980년 : ~2-D, Quantum Hall effect의 발견
- 2000년 : ~0-D, nano, single molecular, Quantum Dot, STM ....
고자기장은 비 괴 으로 는 자기장 내에서의 물질의 자기
특성을 이용하여 물질의 특성을 연구하는데 있어서 우수
한 도구이다. 특히 최근에는 물리학 뿐 아니라 생물학 연구
에 있어서 단백질 유 체 등의 연구에 없어서는 안되는
연구장치로서 각 받고 있다.이와 련하여 KBSI에서는 최근 900 MHz NMR system
물리학과 첨단기술 January/February 2007 20
그림 6. Oxford Instruments의 950 MHz (22.31 Tesla) NMR용 초전도자석.1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
(KBSI)
HTS Coil
11.7 T MRI
9.4 T MRI
7 T MRI
4 T MRI
2 T MRI
15 T FT-MS
14.5 T FT-MS
12 T FT-MS
9 T FT-MS
7 T FT-MS
21 TFT-ICRMS
1 GHz
900 MHz(wide bore)
950 MHz920 MHz
900 MHz
800 MHz750 MHz
600 MHz
500 MHz
54φ NMR 105φ NMR HTS Magnet FT-ICR MS MRI
Mag
netic
Fie
ld (T
)
Year
400 MHz
15 TMRI
1.2GHzNMR
930 MHz
그림 5. 연도별 고자기장 초전도 자석 발전 추이.
(21.3T)이 도입되어 가동 에 있으며, FT-ICR MS system (15T, R.T. bore 110 mm)의 개발이 완성단계에 있다. 국가
으로는 응집계 물성, 나노물성 자성재료 등의 기 연구
를 하여 80T 펄스 고자기장 시스템과 30T magnet system의 개발이 요구되고 있다. 고자기장 발생장치의 개발
과 련하여 미국의 NHMFL(National High Magnetic Field Laboratory), MIT, 일본의 NIMS(National Institute of Materials Science), 랑스의 LNCMP 등과 연구교류 약
을 맺거나 연구교류를 진행하고 있으며, 이 외의 다수의 연구
기 과 연구교류를 하고 있다.물리학 생물학 화학 재료과학 환경과학 등에 있어서 자
기장을 발생시켜서 연구를 하여야 하는 연구분야가 다양하게
있으며 이와 련한 첨단 고자기장 자기장 환경 연구장비의
국내 개발이 요구되고 있다. 기 과학지원연구원에서의 고자
기장 도자석시스템 개발은 요한 의미를 가지고 있다.초정밀 분석용 고자기장 초전도 자석 시스템 개발: 단백체
연구에 필요한 장비인 기능연구용 MRI, FT-ICR, NMR은 생
명과학의 Proteomics, Systems Biology 분야를 연구하기
해 필요하며, 이들 장비의 분해능 향상은 도 자석의 자기
장 세기에 비례한다. 고자기장 도 자석기술의 발달은 그
림 5에서처럼 재 기능연구용 MRI의 경우 11.7 Tesla, FT-ICR의 경우 15 Tesla, NMR의 경우 22.31 Tesla(950 MHz) (그림 6)의 도 자석이 개발되어 있으며, 한국기
과학지원연구원은 보다 고자기장 환경을 제공할 수 있는
도 자석의 개발을 하여 노력하고 있다. 이러한 노력이
성공할 경우, 국내 Proteomics 연구를 세계 수 으로
breakthough 하는 것은 물론, 련 연구를 국제 으로 주도
함으로 나아가 노벨상 연구의 산실이 될 수 있을 것으로
기 한다. 세계 최고 성능의 고자기장 단백체 연구장비를 보
유함으로 앞으로 신약개발과 국민의 복지향상에 기여하여 우
리나라가 BT 산업 강국이 되는데 이바지할 수 있을 것이다.고자기장 단백체 연구장비의 핵심요소인 정 분석용 고
자기장 도 자석 시스템 개발기술은 물리, 기계, 기, 재료 분야의 융합기술로써, 차세 FT-ICR 질량분석시스템에서
요구되는 도 자석의 경우, 상온 보아 110 mm, 21 T 이상의 고자기장 환경에서 발생하는 자기력에 의한 300 MPa 이상의 구조강도와 10 ppm 이하의 자기장 균일도를 갖춘 고
자기장 역의 확보가 주요과제이다. 한 NMR에서 Trosy 효과와 신호감도를 고려할 때 부분의 단백질 구조분석이
가능한 것으로 알려져 있는 1.2 GHz (28.2 Tesla) 도 자
석의 경우 400 MPa 이상의 구조 강도와 10 ppb 이하의 자
기장 균일도가 요구되며, 이 자기장은 재 개발된 Nb3Sn 온 도 선재의 임계자기장을 과하므로 고온 도 선
재를 사용함으로서 도달할 수 있는 고자기장이다.한국기 과학지원연구원은 세계 도 과제인 정 분
석용 고자기장 도 자석 시스템 개발 기술을 확립하기
해 국제 공동연구로써 21 T FT-ICR용 도 자석(그림 7)의 개념 설계와 고자기장 극 온 환경에서의 도자석의
자기장 해석 구조 설계, 2K 온도 역에서 운 되는 20 T 이상의 고자기장 도자석이 1년 이상 헬륨 재충 없
이 장시간 운 이 가능한 폐형 냉각 시스템(그림 8) 설계
실험, 열침입형 HTS current lead 개념 설계 등의 연
구를 수행하고 있다. 한, 고자기장 도 자석의 설계에
있어 epoxy의 손과 코일의 변형 퀜치에 의한 향을 고
물리학과 첨단기술 January/February 2007 21
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.400.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Long
itudi
nal d
irect
ion
[m]
Radial direction [m]
Nb3Sn Coil
HTS Coil
NbTi Coil
Mag
netic
Fie
ld [T
]
그림 9. 1.2 GHz (28.2 T) NMR용 고자기장 초전도 자석 개념 설계도.
1.8K SubcooledMagnet Cryostat
300KVacuumVessel
4.2K Liquid HeliumCryogen Tank
Nb3SnMain Coil
NbTiMain Coil
NbTi Shield Coil
NbTi Compensation Coil
Cryo-cooler
JT Cooling System
1.8K SubcooledMagnet Cryostat
300KVacuumVessel
4.2K Liquid HeliumCryogen Tank
Nb3SnMain Coil
NbTiMain Coil
NbTi Shield Coil
NbTi Compensation Coil
Cryo-cooler
JT Cooling System
그림 7. 21T FT-ICR용 초전도 자석 시스템 개념도.
CompressorUnit
vacuumGHe
T
T Temperature sensor
Level gauge
P∼
Pre-Cooler T T
T
T
T
T
T
TT
P
CompressorUnit
CompressorUnit
vacuumGHeGHe
TT
TT Temperature sensor
Level gauge
PP∼∼
Pre-Cooler TT TT
TT
TT
TT
TT
TT
TTTT
PP
그림 8. 밀폐순환 냉각용 헬륨 재응축 시스템.
려한 새로운 설계 방법을 연구하고 고온 도 BSCCO 선재
를 사용한 온 도자석의 가운데에 넣어 1.2 GHz의 고자
기장을 발생시킬 수 있는 hybrid형의 NMR용 고자기장
도 코일의 개념 설계(그림 9)를 수행하여 국내 개발 기술의
확립을 해 노력하고 있다. 이 기술들은 고자기장 단백체 연
구장비의 개발에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 향후 NT 물
성연구용 도 자석의 개발과 의료용 MRI 개발에 있어서
도 응용이 가능한 기술이다.
극 온 연구환경 개발
온공학에서 말하는 온은 체로 LNG 온도(~120 K) 이하 는 고온 도체가 발 하는 온도 이하(~130 K)로 정의
하나 규정된 것은 아니다. 온공학이라 함은, 온을 발생하
고 유지하는 기술과 온환경을 이용하는 기술, 그리고 이와
련된 모든 기술들을 총 한 학문이라고 할 수 있다. 고자기
장개발 에서는 BT, NT, ST 분야에 기반이 되는 고자기장, 극 온 연구장비 개발과 이의 응용을 한 도 자석개발, 극 온 온 냉각기술과 온장비 개발, 이와 련된 연
구 분석, 계측 기술의 개발을 한 연구를 수행하고 있다. 극 온 과학시 가 본격 으로 시작된 것은 1898년 수소
액화의 성공과 1908년 헬륨액화에 성공하면서부터이고, 바로
이 시기는 근 물리학의 탄생할 시기와 일치한다. 1911년 수
은의 도 상의 발견, 1932년 액체헬륨의 유동 상
등 이 시기의 극 온과학은 양자역학, 양자통계학, 도 등
의 발 에 요한 공헌을 하 다.한편, 과학에서는 온공학의 발달로 물질 는 시스템
의 온도를 낮춤으로서 새로운 상 장치를 연구‧개발하고
에 지 효율을 높이고 있다. 그 표 인 로는, 도 상
의 연구 응용, 온에서의 양자물성, 재료연구, 유동 상
과 SQUID 등 센서 소자 냉각 등을 들 수 있으며, 이 분
야의 개발을 해서는 고도의 문 인 기술이 필요하다. 한, 고온 도체의 력응용에 있어서는 온기술이 없이는
생각할 수 없으며, 장기운 에서의 신뢰성이 요구되고, 효율
물리학과 첨단기술 January/February 2007 22
그림 10. 자기냉각장치 구성의 개념도.
그림 11. 자기냉각에 의한 엔트로피-온도 관계.
그림 12. 적외선 우주망원경 냉각시스템 단면도.
그림 13. 적외선 촬영 영상.
이며 경제 인 냉각방식이 실용화에의 건이라고 할 수
있다. 천문 우주공학에서의 추진체, 탑재체에 용되는
온기술, 우주에서의 계측과 련된 소자 센서 냉각기술, 핵융합연구에서의 고자기장을 얻기 한 도자석의 냉각
기술, NT BT와 련한 NMR, MRI 등에서의 냉각기술, 최근 차세 체에 지로서 각 받는 수소의 액화 장, 형
LNG 장 Tank 수송선에서의 온 단열기술 등은 온
냉각 단열기술이 확립되지 않으면 결코 효율 인 운용이
어려운 분야라 할 수 있다.초전도센서냉각을 위한 극저온 개발: 도재료를 이용한
고감도센서로서 TES(Transition Edge Sensor)와 STJ (Superconducting Tunneling Junction)을 들 수 있다. 이러한 도센서 소자는 0.1 K 후의 극 온에서 작동한다. 1 K 이하의 극 온을 얻는 방법으로서 액체 He-3을 이용한 냉
각, 희석냉동기(Dilution Refrigerator), 자기냉각법(magnetic cooling, Adiabatic Demagnetization Refrigeration) 등을
들 수 있다. 이 가운데 장치의 규모가 소형으로 실험실 는
우주에서의 천문우주 측 연구를 해 0.05 K 이하의
온까지 얻을 수 있는 방식으로 자기냉각법을 들 수 있다. 기과학지원연구원에서는 고감도 STJ 센서의 냉각을 하
여, 액체헬륨을 사용하지 않고 소형냉동기를 비냉각기로 하
는, FAA 는 CPA 등의 자성염(magnetic salt)을 이용하는
0.1 K 이하의 온도를 얻을 수 있는 자기냉각장치를 개발
에 있다.([그림 10] 자기냉각장치 구성의 개념도 [그림 11] 자기냉각에 의한 엔트로피-온도 계 참조).
적외선 우주망원경 냉각시스템: 외선 센서 냉각시스템 개
발기술은 천문 측 성, 기상 성, 자원탐사 성, 해양 성
등의 측 성과 지상 열추 군사 성, 열추 미사일의 개
발에 응용되는 핵심 기술로 개발된 외선 센서를 산업
군사용으로 활용할 수 있는 기반을 마련한다. 고자기장개발
에서는 외선 우주망원경 냉각시스템의 시험모델을 개발하
다. 이 기술은 외선을 이용한 우주탐사 미션에서 외선
센서를 냉각하여 감도향상과 배경열잡음의 감소를 목 으로
개발된 시스템이다. 냉각방식에는 액체헬륨 는 액체질소와
같은 냉매를 사용하는 방법과 소형 냉동기를 이용하는 방법
이 있다. 본 연구에서는 냉매가 필요 없으며, 냉동기의 장기
운 신뢰성이 실증된 소형 스터링 냉동기를 이용한 70 K 냉
물리학과 첨단기술 January/February 2007 23
Freeform 700 Surface Measurement system NT2000▶5축 제어를 통한 3차원 자유곡면 형상의 나
노단 의 기계가공
1) Turning - 최 가공 유효 직경: 700 mm - Surface roughness: Rmax 0.01 µm(AI, alloy) 2) Grinding - 최 가공 유효 직경: 300 mm - Surface roughness: Rmax 0.05 µm(SF-12 Glass)
▶ 학계를 이용한 비 방식으로 국부 역
의 나노표면 형상을 측정하는 장비
- Vertical resolution: 0.1 nm 이하
- 최 측정범 : 100 mm * 100 mm - 수직방향 측정 폭: 0.1 nm - 150 µm - 반복정확도: 0.1 nm - 촛 이송방식: 자동
Nanoform 600 Laser Interferometer WYKO 6000▶2축 제어를 통한 선삭 연삭 경면가공
1) Turning - 최 가공 유효 직경: 600 mm - Surface roughness: Rmax 0.01 µm(AI, alloy) 2) Grinding - 최 가공 유효 직경: 300 mm - Surface roughness: max 0.05 µm(SF-12 Glass)
▶ 간섭을 이용한 평면 구면 형상 측정기
- Wave length: 632.8 nm - 정 도: λ /100 PV at 632.8 nm - Resolution: λ / 1,024 - Transmission sphere: f/0.75, f/3.2 f/7.0
KRP-2200F Form Talysurf 식 표면거칠기 측정기
▶Glass 형강의 폴리싱을 통한 성 카메
라 형코어의 나노단 표면연마
- 가공정 도: Ra 1 nm, PV: 50 nm - X×Y×Z(400×200×150)
▶ 식 비구면 형상 측정기
- 측정 범 : 120 mm - Resolution: 12.8 nm/10 mm - Standard stylus: 1.5-2.5 µm radius
표 1. 보유 초정밀가공시스템의 Specification.
그림 14. 한전 전력실증시험센터에 설치된 고온초전도 전력케이블 시스템
냉각계 개요.
각시스템을 개발하 다.초전도 전력케이블 냉각기술: 산업의 발달로 증 된 력수
요를 해결하기 해, 송 용량의 용량화가 요구된다. 기존
의 구리로 된 력 이블은 송 시의 손실이 크고 새로 부
설하기 한 공사비의 부담도 크다. 그러나 액체질소 온도에
서 기 항이 없는 고온 도선을 기송 이블로 개발할
경우 기존의 송배 선로를 그 로 사용하면서 재 이블
의 3~4배의 용량을 감당할 수 있으며 기에 지의 약 등
의 효과를 가져온다. 재 국내에서는 장래 력계통에
도 이블이 도입될 것을 상하여 고온 도 력 이블의
개발, 냉각시스템을 비롯한 도 이블의 운 기술을 확보
하기 한 연구가 진행되고 있다. 고자기장개발 에서는 66 K ~77 K 온도 역에서 운 되는 고온 도 이블 냉각시스템
의 개발, 냉각성능 평가
등을 한 연구가 진행
이며, 냉각시스템의 핵
심기술 의 하나인 단열
기술 개발, 과냉각 액체
질소 열 달 특성 시
스템 개발연구를 수행하
고 있다.이와 같이 온공학은
과학의 핵심 요소기
술로 자리매김을 하고 있
으며, 한 많은 산업기술
의 기반기술이 되고 있다. 선진국에서는 과학 발
의 기반이자 핵심기술이
될 것을 일 부터 견하
여 정책 으로 온기술의
발 을 육성시켜 왔다. 기과학 응용과학의 발
, 에 지 우주공학의
발 을 하여 이 분야의 체계 육성과 발 이 시 한 실정이
다.
정 가공분야
산업은 기계가공에 있어서 높은 가공 정 도를 요구하
는 상은 블록 게이지를 비롯한 정 측정기기 등에 머물러
있었다. 그러나 최근 정 기계, 기, 자, 반도체, 학
련 기기를 비롯한 상, 정보 항공 우주 산업 등의 속한
발달과 함께 그와 련한 부품들의 고정도 가공에 한 필요
성이 증 되고 있다.에는 고정도 부품에 요구되는 형상정 도 표면 거칠기
를 얻기 하여 연삭(grinding)과 래핑(lapping), 폴리싱(polish- ing) 등의 공정을 순차 으로 용했다. 그러나 이 방법들은
재 성이 부족하고 가공형상의 한계가 있으며, 가공 시간이
오래 걸리므로 생산 단가 면에서 불리함을 가지고 있다. 한, 이러한 방법으로 제품이 요구하는 형상 정 도와 표면
거칠기를 동시에 향상시킨다는 것은 어려운 실정이다. 근래
에는 자빔(beam) 가공, 기 화학 가공(electro chemical machining)법 등이 이용되고 있다. 그러나 이러한 가공법 역
시 가공능률이 떨어지고, 치수 정 도, 형상 정 도, 가공면
거칠기를 동시에 향상시키기 어려운 문제 이 있다. 이러한
단 을 극복하기 한 방법으로 정 가공시스템에 의한
물리학과 첨단기술 January/February 2007 24
그림 15. 초정밀 가공사례.
가공이 요구되고 있다. 정 고속가공을 실 하기 해서는
고정도․고강성의 공작기계와 우수한 삭공구, 측정과 제어
기술, 삭 방법 등에 한 고도의 기술이 필요하다.정 가공에 한 연구는 미국, 일본, 독일 등의 선진국에
서 활발한 연구가 이루어지고 있으며, 1960년 에 기계의 주
축에 공기베어링을 사용하기 시작하여, 1970년 에 측정
제어 반 기반기술이 축 되기 시작했다. 한 1980년 와
1990년 에는 정 공작기계의 CNC화 비구면 가공을
한 공작기계 개발이 주를 이루어 왔다. 국내에서는 연구소
를 심으로 일부 연구가 이루어지고 있으나 아직 선진국에
비하여 극히 미약한 수 에 머무르고 있는 실정이다.한편, 정 가공 부품의 재료로서는 자 산업과 정보 산
업의 발달로 인하여 고정 도가 필요하게 된 알루미늄, 구리, 무 해 니 등의 속 라스틱, 실리콘, 게르마늄 등의
비 속 등 부분 연질재료가 사용되고 있으며, 이런 재료들
은 연삭 가공으로는 높은 정도를 내기가 어렵다. 이와 같은
단 들을 해소하기 해 최근에는 고정도․고강성을 지닌
정 가공기와 내마모성이 큰 천연 다이아몬드 공구를 이용
한 정 삭 가공기술이 속히 발 하고 있다.정 삭가공이란, 학, 기계, 자 등의 부품을 수백
나노미터의 형상정 도와 수십 나노미터의 표면 거칠기로 생
산할 수 있는 가공방법으로 정의할 수 있
다. 정 삭가공은 다이아몬드 공구의
기하학 인 형상(profile)을 공작물의 표면
에 정확하게 사시키는 것으로서 다이아
몬드 공구인선의 리함과 공작기계 회
축의 회 정 도 테이블의 이송정 도가
서 마이크로미터(sub-micrometer)의 정
도를 유지하는 것이 반드시 필요하다.정 가공기 개발 정 삭가
공의 역사는 1960년 부터 시작되어 1970년 에 이르러 실용화가 되었다. 1990년 반에는 미국 리시텍사에서 개발한
정 비구면 가공기(Nanoform 600)로
형상정 도 PV 0.1 µm, 표면거칠기 Rmax 0.01 µm를 실 했으며, Moore Nano- technology사와 일본의 NACHI, 도시바, 도요다 등의 정 가공장비 개발업체에
서 다양한 종류의 비구면 자유곡면가
공 장비를 개발하여 매 에 있다.한국기 과학지원연구원 정 가공
에서는 1996년부터 정 가공사업을
비하여 1997년 항온항습 크린룸의 정
가공실을 증축하고 정 가공 측정 장비 설치 운 을
통하여 국내 정 기술 향상에 기여하고 있다. 정 가공
시스템 사양을 표 1에 나타낸다. 정 가공기술은 선진국에서 기술이 을 회피하는 가장
심한 분야로 산업의 핵심부품인 반사경, 비구면 즈, 통
신매체의 가공과 련하여 국내의 정 련 기술의 한계
에 의하여 으로 수입에 의존하고 있다.이에 본 정 가공 은 수입 의존성이 강한 정 연구
용 부품의 국내 개발 기반을 확보하고, 연구장비의 핵심부품
개발, 보 을 통해 국내 정 가공기술 향상 외화 감과
산업기술의 국내 수를 하여 나노표면의 핵심장비인 정
가공 측정 장비의 설치, 운 을 통해 핵융합, 항공우주, 반도체 첨단연구장비 핵심 부품의 나노단 기계가공과
신소재 가공기술개발 등에서 국가 공동연구장비로 활용함
으로써 학, 연구소, 산업체의 연구개발 능력 향상과 기술
력 체제를 구축하여 국내 정 산업 발 에 이바지하고
있다. 한 외선 핵심 학계로 사용되는 알루미늄합
구경 비구면 반사경과 3차원 형상의 자유곡면 반사경 각
종 비구면 즈 정 가공, 측정 평가 분석기술 기반확보를
통하여 국내 유일, 세계 수 의 정 외선 학센터로
발 해 나가고자 한다.
