첨단 연구장비 개발 사업 - kpswebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18...

8
물리학과 첨단기술 January/February 2007 17 첨단 연구장비 개발 사업 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 ([email protected]) 현재 우리가 살고 있는 시대를 융합의 시대라고 한다. 과학 의 발달과 더불어 물리, 화학, 생물, 전자공학 , 재료공학, 계공학 등의 과학기술이 학문 사이의 영역을 넘어서 물질, 간 및 생명, 우주의 미지를 탐구하기 위하여 서로 융합하여 효과를 극대화하는 시대가 도래한 것이다 . 물질계를 지배하는 주요 요소로서 자기장, 온도 및 압력을 들 수 있다 . 이 중에서 자기장은 물질을 비접촉, 비파괴적으 로 분석할 수 있을 뿐 아니라 물질계의 제어도 가능하다. , 자기장 환경을 이용하여 물질의 평가 가 가능하다. 자기장 환 경 하에서 물질의 열적, 전자기적 성질이 어떻게 변하는가, 물질의 구조가 어떻게 변하는가 등을 통하여 물질의 본성을 조사할 수 있다. 자기장을 이용한 물성 연구로서 반도체 연 , 양자물성의 연구 등을 들 수 있으며, 양자홀 효과 등 노 벨 물리학상도 다수 수상하였다. 또한 최근에는 고자기장 환 경을 이용한 화학, 생물분야에의 연구도 활발하다. 생명과학 분야에서는 단백체의 성질을 규명하기 위한 연구 (Proteomics) 가 활발히 연구되고 있으며, 단백질의 구조를 밝히기 위한 중요한 연구수단의 하나로서 최근 21테슬라급(900 MHz) 자기장 초전도자석을 이용한 NMR 장치로 단백질 구조분석을 하고 있으며 궁극적으로 1.2 GHz(28.2테슬라) 급의 초전도자 석을 이용한 NMR 시스템으로 연구할 수 있게 되기를 기대하고 있다. 또한 화학 및 생물 등에서 물질의 특성을 연구하기 위한 질량분석법에서도 최근에는 FT-ICR(Fourier Transformed Ion Cyclotron Resonance) 질량분석법을 위하여 15테슬라 초전도 자석을 이용한 질량분석기가 KBSI NHMFL에서 개발되었으 , 더 정밀한 질량분석을 위하여 향후 21테슬라급 초전도자석 을 이용한 FT-ICR 질량분석기 개발을 고려하고 있다 . 이 뿐만 아니라 자기장 환경을 이용하여 물질의 제어 가 가 능하다 . , 자기장 환경 하에서 물질의 합성 , 결정성장 및 화 학반응을 제어함으로서 새로운 물질의 합성 또는 더 좋은 품질 의 물질을 만들어 낼 수 있다 . 대구경 실리콘 단결정의 성장에 서도 결정의 직경이 커질수록 용융상태에서의 대류현상 등의 문제가 있으나 ~3테슬라 전후의 자기장 환경 하에서 결정성장 을 함으로 좋은 결과를 얻고 있다 . 화학 및 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 . , 자기장 환경을 이용한 새로운 물질계의 개발 과 가능성의 발현을 기대할 수 있다. 기초과학지원연구원의 연구장비개발부에서는 첨단 연구분 석장비의 개발과 국내외 연구자에게 연구환경을 제공하기 위 하여 고자기장, 극저온, 초정밀 기술을 이용한 연구장비개발 을 수행하고 있으며 이에 대해서 소개하고자 한다. 고분해능 질량분석기 시스템 개발 질량분석기개발팀에서는 전기장과 자기장을 이용하여 이온 상태로 전하를 띤 분자의 질량을 측정하는 질량분석기를 제 작하고 있다. 현재 개발 중인 질량분석기는 현존하는 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 대표적인 불변량 중에 하나로 어떠한 서로 다른 상황에서 도 그 물체가 갖고 있던 질량의 값은 불변이라는 것이다. 러한 불변량들은 모든 현상을 관찰하고, 분석하여 중요한 정 보를 제공할 수 있는 대단히 중요한 지표가 된다. 우리는 물 체의 질량을 저울로 측정하고 있지만 원자나 분자 수준의 물 체들은 일반적인 저울로 측정하는 것이 불가능하다. 1897J. J. Thomson은 그때까지 단지 파의 일종일 것이라고 생각 해오던 전자가 음의 전하를 띠는 입자이며, 전자의 전하 대

Upload: others

Post on 16-Jan-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

([email protected])

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

Page 2: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

==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

Page 3: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

Page 4: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

Page 5: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

Page 6: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

Page 7: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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

Page 8: 첨단 연구장비 개발 사업 - KPSwebzine.kps.or.kr/contents/data/webzine/webzine/...18 물리학과 첨단기술 January/February 2007 그림 1. 하전입자의 싸이클로트론

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.