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예슬 온
6 years ago
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1 X- 선이용연구 노도영 한상욱 김제한 박수영 이흥수 류성언 윤화식 장석상 박순섭 머리말 포항가속기연구소의방사광가속기는적외선으로부터 X-선까지의넓은스펙트럼의광원으로서가동초기에전자빔가속에너지 2.0 GeV로부터 2.5 GeV 운전으로바뀌면서방사광의임계에너지 (critical energy) 가 5.5 kev로상승함으로써 X-선영역의연구가훨씬활발하고다양하게되었다. X- 약력 노도영박사는미국 MIT(Massachusetts Institute Technology) 물리학박사 (1991) 로서미국의 EXXON 연구소에 Senior Physicist 로재직한후광주과기원신소재공학과교수로재직하고있다. 포항방사광가속기에광주과기원전용빔라인을운영하고있으며한국방사광이용자협의회 XRD 분과전문위원장직을수행하고있다. 주연구분야는방사광 X- 선산란을이용한표면, 계면및박막의미시적구조및성장과정에관한것이다. 한상욱박사는미국미주리주립대 (University of Missouri-Columbia) 에서초전도에관한연구로물리학박사학위를취득 (1999) 하였고, 와싱턴대 (University of Washington) 에서박사후연구원과정 ( ) 과버클리연구소 (Lawrence Berkeley National Laboratory) 의연구원 ( ) 을거쳐, 현재전북대학교과학교육학부물리전공주임교수로재직중이다. 김제한은서울대학교원자핵공학과에서석사학위 (1990) 를받고, 포항가속기연구소에선임연구원으로재직중이다. 박수영교수는 Department of Polymer Science, Case Western Reserve University 에서박사학위 (1998) 를받고 ( 미 ) 공군연구소 ( ) Research Associate 를거쳐경북대학교고분자공학과에조교수로재직중이다. 이흥수박사는연세대학교에서이학박사 (1989, 자성물리전공 ) 부터 9 월부터포항가속기연구소책임연구원으로, 선형가속기마이크로웨이브실장 ( ), 일본 KEK 교환연구원 (1995), 선형가속기 2 팀장 ( ) 등을거쳐현재빔라인부 X- 선운영 2 팀장으로재직중이다. 류성언박사는 1984 년서울대화학과졸업하고, 미국컬럼비아대에서생화학박사 (1991) 후, 미국하버드대생화학과박사후연구원 ( ) 을거쳐현재생명공학한국생명공학연구원책임연구원으로단백질체시스템연구센터센터장으로재직중이다. 윤화식박사는 University of Virginia( 미국 ) 에서이학박사 ( 응집물리실험전공 ) 학위를받고 1991 년 6 월포항가속기연구소책임연구원으로시작하여현재수석연구원 (2003) 으로재직중이다. 장석상박사는 1988 년일본동경공대정밀기계시스템박사학위취득하고 1988 부터포항가속기연구소에서근무하며현재 LIGA 빔라인메니저로재직중이다. 박순섭박사는 1992 년 KAIST 재료공학과박사학위취득하고 1992 부터현재까지전자부품연구원에서 Nano-Bio 연구센터센터장으로재직중이다. 선방사광을이용한연구분야를보면, 크게분류하여 X-선회절, EXAFS, 소각산란, 단백질구조분석, 마이크로이미징, 마이크로머쉬닝등이며이분야의연구를위하여현재 13개의빔라인이가동되고있다. 지금까지는주로휨자석을광원으로하는빔라인들이었으나, 최근에는삽입광원장치들의도입이활발히이루어지고있다. 단백질구조해석을위한 MXW 빔라인이 X-선영역의빔라인으로는처음으로건설되어 2005년부터이용자에게공개되기시작하였으며, 설치가거의끝난재료연구를위한 HFMS 위글러빔라인이올해 1년간의시험운전 (commissioning) 을거쳐 2006년일반에공개될예정이다. 또한비탄성산란실험이가능한진공용언듈레이터 (revolve invacuum undulator) 빔라인의건설이진행중에있으며, 올해부터 EXAFS 연구를위한또하나의위글러빔라인의건설이진행될것이다. 이러한삽입장치의설치가완성되면, 일반적인실험부터고휘도및 coherent X-선실험이가능해짐으로서우리나라의 X-선영역의연구자들에게강력한도구를제공할수있을것이다. 아래에포항가속기연구소의 X-선영역에서의연구소개및빔라인의현황빔라인에서이루어지고있는흥미있는실험및결과등에대하여각분야별로기술하였다. 방사광 X- 선회절 ( 미시계의원자를보는눈 ) X-선은파장이 나노미터 ( 나노미터 (nm): 10억분의 1 m) 인빛이다. 이러한빛이물질에조사되면물질을구성하고있는원자들이가지고있는전자들에의해산란이일어난다. 고전적으로기술하자면 X-선빔의전기장에의하여전자들이 X-선의진동수와같은진동수로움직이고, 진동하는전자들이다시 X-선을방출하는과정이일어나는것이다. 결국 X-선을물질에조사하면다시 X-선이튀어나오는 산란 (scattering) 이일어난다. X-선은파장이원자들사이의거리보다작으므로각원자에서산란된 X-선은서로다른위상을가지게되어간섭현상이일어난다. 이러한간섭현상을측정함 22 물리학과첨단기술 March 2005

2 으로서원자들의위치에관한정보를정확히알아내는것이 X-선회절연구이다. 또한의료진단용 X-선영상에서쉽게알수있듯이 X-선은물질을쉽게투과할수있다. 이러한 X-선의성질과 X-선의짧은파장은 X-선을물질의원자구조를비파괴적으로관측하는매우유용한도구가되게하였다. X-선이발견된이후지난백여년동안대부분의신물질이발견될때마다 X-선회절은물질을이루고있는원자들의구조를밝혀내는중요한역할을해왔다. X-선이물질에의해산란되는상호작용은매우약하다. 예를들어일반적으로실험실에서사용되는 X-선광원으로얻을수있는초당백만개의 X-선광자가포함된 X-선광선을일제곱밀리미터의영역에조사했을때전자한개에의해산란되는한개의 X-선광자를관측하기위해서는 1 경초가걸린다. 따라서실험적으로 X-선산란을관측하기위해서는실험에사용되는시편이많은수의전자를포함하고있어야한다. 예를들어 3차원거시적시편인실리콘단결정을시편으로사용한다면, 여기에포함된전자의수는아보가드로수만큼많아조사된 X-선의대부분이산란되어나오게된다. 하지만전자의개수가작은물질계의원자구조를 X-선을사용하여규명하는것은매우어려운일이었다. 예를들어표면이나원자층의수가수십층이하의얇은박막의경우, 나노미터스케일크기의나노구조물, 시간에따라빠르게변화하는물질계등의구조를규명하는데있어 X-선의한계가드러났다. 이러한한계를경이적으로극복한것이방사광 X-선광원이다. 방사광 X-선광원은광속으로움직이는전자의가속을이용하여 X-선을발생하는광원인데, 고도의집속도를가지면서도기존의재래식광원에비해서수천혹은수만배나되는훨씬많은양의 X-선광자를발생한다. 방사광 X-선은미시계의원자구조를연구하는것은물리, 화학, 생물등과같은기초과학에서부터, 재료, 화공, 약학, 의학등의응용공학에이르기까지광범위한분야에서활용될수있다. 방사광 X- 선은현재단결정신물질의원자구조, 반도체및유전체등전자재료박막구조, 고분자등연성물질의구조적성질, 표면원자구조, 나노스케일물질의형상등다양한연구에응용되고있다. 1. 빔라인소개방사광을이용한 X-선회절연구는여러연구분야의기본자료를제공하는데사용되고, 국내의관련연구자도 X-선회절전문가에서부터단순측정이필요한일반사용자까지매우많다. 포항방사광가속기에는다양한연구분야의많은사용자의각기다른요구를수용하기위해여러기의 X-선회절빔라인을건설하여운영되고있다. X-선회절빔라인에서 그림 1. 포항가속기에설치된 X-선산란빔라인. 는방사광 X-선을집속시키는집속거울과개개의실험에요구되는파장만걸러주는단색광변환기가설치되어있다. 그리고사용자를방사선으로부터보호해주는각종차폐시설및 X-선의입사에대한시편의각도를조절하는 X-선회절기와각종 X-선검출기등이설치되어있다. 포항방사광가속에는현재 X-선회절용으로모두 5개의휨자석빔라인이설치되어운영되고있는데, 각빔라인에서시편에도달하는 X-선의휘도는대개초당 100억개의 X-선광자이다. 포항방사광가속기에서 X-선회절에관련국내외연구이용자지원은 1995년 3C2 빔라인 1기를가지고시작되었다. 1998년부터는광주과기원전용빔라인인 5C2 [ 그림 1], 2001 년에는포항제철전용빔라인 8C1, 그리고 2003년에는고분해능분말빔라인인 8C2가이용자서비스를시작하였다. 포항가속기를제외한외부기관전용빔라인인 5C2와 8C1은각각빔타임의 30% 를일반사용자시간으로할애하였으며, 포항가속기연구소소속빔라인에서는 70% 의시간을일반사용자에배정하였다. X-선회절에대한빔타임신청수는매해늘어나서 2003년에는연간 120건정도가되었으며, 이중에서 70여건의실험이수행되었다. 이신청및수행건수는광주과기원및포항제철의자체사용횟수를제외한것이어서실제실험수행건수는 100여건에이르는것으로추산된다. 하지만아직도실험시간의부족으로많은실험이수행되지못하고있는것으로분석된다. 2004년가동에들어간 XRD 11C1과 2006년에가동될삽입장치빔라임이건설되면 XRD 분야의대부분의실험요구를수용할수있을것으로분석된다. X-선회절분야의많은실험수행건수는방사광을이용한 X-선회절이다양한연구분야에미치는임팩트가큼을보여주고있다. 2. 연구결과현황포항방사광가속기의 X-선회절빔라인을이용한논문실적은 1995년 1건을시작으로 2003년에는약 80건의논문이 물리학과첨단기술 March

각종학술지에발표되었다. 이와같은많은논문의발표는방사광 X-선회절실험이여러학문영역에서필요한기초자료를제공해온것을반증하는것으로해석된다. 논문발표건수는 2001년을필두로감소하기시작했는데이시점을기준으로 X-선회절실험이단순구조분석에서벗어나구조적으로어려운과학적문제를해결하는도구로패러다임이바뀌어가는것을반증한다.

3 각종학술지에발표되었다. 이와같은많은논문의발표는방사광 X-선회절실험이여러학문영역에서필요한기초자료를제공해온것을반증하는것으로해석된다. 논문발표건수는 2001년을필두로감소하기시작했는데이시점을기준으로 X-선회절실험이단순구조분석에서벗어나구조적으로어려운과학적문제를해결하는도구로패러다임이바뀌어가는것을반증한다. 따라서 1개의논문을발표하기위해서더높은질의자료가필요하게되었고, 실험횟수도증가하게되었으며, 발표된논문의인용지수를비롯한질적지표가향상되게되었다. 3. 빔라인현황및향후전망포항방사광가속기연구소에서는현재가동중인휨자석을이용한 X-선광원보다도훨씬휘도가큰 X-선광원인삽입장치빔라인을건설하고있다. 삽입장치광원은기존의휨자석광원에비해휘도가더욱크고, 성능이더욱좋은 X-선을발생한다. 포항가속기에서는현재미세회절, coherent X-선산란및자성 X-선산란등을주목적으로 1개의언듈레이터빔라인이건설중에있고, 표면 X-선산란등고휘도가필요한 X-선회절실험용으로 1개의위글러빔라인이건설되고있다. 삽입장치빔라인의가동은 X-선회절분야의프런티어를이끌어가는실험을수행하는데있어크게기여할것으로예상된다. [ 노도영 (dynoh@kjist.ac.kr)] EXAFS XAFS(X-ray Absorption Fine Structure) 는원자간의결합으로구성된분자나응집물질의지역적원자배열미세구조를측정하는탐침으로써, X-선파장영역에서원소별로선택하여측정할수있는 XAS(X-ray Absorption Spectroscopy) 기법에속한다. Synchrotron 1. 실험방법 Double monochrometer 그림 2. EXAFS 실험장치. 이중모노크로메터로입사엑스선의에너지를바꾸면서시료를통과한엑스선의세기나시료로부터나오는형광의세기를측정하여입사엑스선의세기 (I 0) 와비교하여 EXAFS 신호를얻는다. 그림 2에서보여주는것과같이방사광가속기에서나오는 X- 선을단색광분광기로에너지를바꾸면서간단하게물질의 X-선흡수계수의스펙트럼을측정할수있다. 그림 3(b) 와같이흡수계수가급격하게증가는흡수끝머리 (absorption-edge) 는원자내전자의결합에너지 (binding energy) 와 X-선흡수원자의화학적인특성에주로기인한다. 특히흡수끝머리위에서흡수계수의요동을 EXAFS(Extended X-ray Absorption Fine Structure, 엑세프 ) 라고하며, 그림 3(c) 에서보여주는것과같이광전자 (photoelectron) 의운동량으로나타낼수있다. X-선흡수계수는물리적으로한개의 X-선광자 (photon) 가한개의원자에흡수되는과정에서한개의내각전자가방출되어서광전자로전이 (transition) 되는양자역학적확률을의미하며, EXAFS는 X-선흡수계수가주위의다른원자들에의하여되튀어온광전자에의하여영향을받은결과로써파동간의간섭원리로다룰수있다 ( 그림 3(a) 참조 ). EXAFS 의정량적인해석을위하여광전자가주위원자들로부터되흩뜨림 (back scattering) 되는세기를모든가능한광전자의되흩뜨림경로에따라합하는방법을사용한다. 이미다룰수있는모든원소의되흩뜨림세기에대한이론적함수는컴퓨터수치계산으로제공되고있으며, 이를사용한명쾌한수치해석방법에의하여 X-선을흡수한원자주위에분포한다른 I 0 Sample Fluorescence Transmission γ 그림 3. (a) X 선에의하여만들어진광전자의파동 ( 실선 ) 과되흩뜨림파동 ( 점선 ) 을나타낸설명. (b) 자성반도체 Zn 0,8Mn 0.2Te 에대한 Zn K-edge(9659 ev 의속박에너지 ) 근처에서 X- 선흡수스펙트럼 (c) 흡수끝머리위에서요동치는부분만을추출하여 k(wave number) 의함수로표현. (d) 퓨리에변환하여원자간거리의함수로표현. (e), 같은방법으로 Mn 과 Te 에대하여 EXAFS 퓨리에변환으로표현. (g) ZnO 수직으로성장시킨나노막대들. (h) 와 (i) 는 ZnO 나노막대시료에대한엑스선흡수계수를막대길이방향 (ε c) 과막대수직방향 (ε c) 에따라측정한스펙트럼. 24 물리학과첨단기술 March 2005

4 원자들의종류및개수, 원자간의결합거리및결합거리의분포에관한정보를정량화할수있다. 그림 3의 (d), (e) 그리고 (f) 는그림 3(c) 와같이광전자의운동량으로얻어진 EXAFS를푸리에변환 (Fourier transformation) 하여공간함수로나타낸것이다. EXAFS 수식의변수값들을적절히조절하여측정값과이론값을맞추어봄 (fit: 그림 3 (d), (e), (f)) 으로써주위원자들에대한정보를얻을수있다. [1] 2. 주요연구사례그림 3에서보여주고있는자성체반도체 Zn 0,8Mn 0.2Te에대한연구결과를요약하면, Zn, Mn 그리고 Te 흡수가장자리근처의 EXAFS를분석한결과로부터 Mn이정확하게 Zn 자리에대체된구조임을규명할수있다. 그림 3(g) 는나노막대로만들어진 ZnO 반도체를보여주고있으며, [2] (h) 와 (i) 는 ZnO 나노막대에대한 X-선흡수계수를방향에따라선형으로편극된방사광 X-선을이용하여측정한결과를나타내고있다. ZnO 나노막대에대한 EXAFS 분석으로부터나노막대 ZnO 결정체는일반 ZnO 결정체에비해서길이방향으로약간늘어나있고길이수직방향으로약간수축되어있다는것을알수있었으며, 막대의표면이산소로구성되어있다는것을알수있었다. 이와같이 EXAFS는여러가지물질이섞여서만들어진혼합물에서각각원소들주변의구조적인특성을독립적으로측정할수있으며, 심지어초미량 (0.5%) 으로도핑된원소들주변까지도측정할수있다. EXAFS 기술은시료의형태 ( 덩어리, 가루, 박막, 나노입자등 ) 나결정성정도 ( 결정, 비결정, 부분결정등 ), 밀도 ( 응집, 희석 ) 에등에구애받지않고물질의지역구조적인특성을측정할수있다. 3. 빔라인의현황및향후전망현재포항방사광가속기에는경 X-선영역 (> 2 kev) 실험을위하여두개의휨자석 (bending magnet) 빔라인이 XAFS 실험전용으로건설되어있으며, 다수의빔라인에서연 X-선영역실험을할수있다. 실험가능한연 X-선영역은대략 1.5 kev 이하의에너지영역으로 Si 보다가벼운원소의 K각흡수끝머리, 앞주기전이원소의 L각흡수끝머리그리고비교적무거운원소의 M각흡수끝머리가탐사가능한영역이다. 연 X-선흡수실험은통상적으로흡수끝머리근처의좁은에너지대역에서이루어지며 (NEXAFS: Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), 대개의광전자분광기법의실험장치로수행될수있다. XAFS는물질의원자적구조및원소의화학적특성을세밀하게규명할수있는기술로써방사광의등장과함께지난 20여년간그기법의우수성을보여주었다. 과학기술의발전과시대적인요구로과거와는규모가다른방사광원들이건설됨에따라, XAFS 실험장치의성능도크게진보하였으며, 방사광을이용한다른측정기법들과결합하여다양한연구를할수있도록발전되고있다. 21세기의유망기술로등장하고있는화학 / 환경 (chemistry & environment) 과관련된촉매화학 전기화학 친환경소재의화학적합성및공정기술의개발과더불어, 특히분자나나노기술같은선도기술이요구되는생명 환경 에너지 재료등의분야연구및기술개발을위하여방사광 XAFS 기술에관한연구및개발은필수적이다. 근본적인물성의이해를위하여대단히중요한저온의상전이현상에대한연구나, 산업체응용을위하여제조하는여러가지복잡다체계혼합물시료연구를위하여보다정밀한 XAFS 측정및분석방법이요청된다. 또한방사광가속기에서는펄스형 X-선을이용하여지극히짧은시간동안즉나노 (10-9 ) 나피코 (10-12 ) 초동안에일어나는물리적현상도측정할수있다. 이러한첨단과학연구및기술개발을위하여 XAFS 실험장비의개선과데이터해석기법도앞으로계속발전하여야할것이다. [ 한상욱 (swhan@chonbuk.ac.kr)] SAXS 소각 X-선산란 (Small Angle X-ray Scattering; SAXS) 은나노미터크기의구조분석에이용되어온가장오래된기기분석법의하나로특히, 용액상혹은고체상의고분자재료와그복합체의구조연구에많이사용되었다. 최근에는나노크기를가지는무기물, 유기물또는생체구조물의중요성이부각되면서 SAXS는더욱더활용의폭을넓히고있다. 현재국내의산업체, 연구소, 학계의많은연구과제는나노기술과생명공학분야에그근간을두고있으며, 기존의여러가지제한된기술상의문제점에대한돌파구를찾고, 새로우면서도진보된응용분야를개척하고자노력하고있다. 나노기술에있어서는다양한기능을가지는나노구조를디자인하고제작하며, 나노물질이가지는특성을나노단위에서이해하는것이다. 생물공학에있어서는자연의생체물질을분리, 정제하여이들물질이가지는특성에대한이해를높이고이러한이해를기반으로인공적으로이들물질을만든다든지이들물질이가지는특성을흉내낼수있는물질을개발하는것이다. 그중 SAXS 빔라인은마이크로미터에서나노미터단위영역에서이들물질의구조적변화, 안정성등을조사하 참고문헌 [1] S.-W. Han et al, Phys. Rev. B 66, (2002). [2] W. I. Park et al. Appl. Phys. Lett. 80, 4232 (2002). 물리학과첨단기술 March

는데에매우중요한역할을한다. 여기에서는 SAXS 빔라인을간략히소개하고그응용에대해간략히기술한후, 실험적으로새롭게성장하고있는분야로당빔라인에서연구한예를간략히소개하고자한다. 1. 기본원리 SAXS (small angle X-ray scattering) 은산란각도가대략 5도이하에서일어나는산란거동을연구하는기술이다.

5 는데에매우중요한역할을한다. 여기에서는 SAXS 빔라인을간략히소개하고그응용에대해간략히기술한후, 실험적으로새롭게성장하고있는분야로당빔라인에서연구한예를간략히소개하고자한다. 1. 기본원리 SAXS (small angle X-ray scattering) 은산란각도가대략 5도이하에서일어나는산란거동을연구하는기술이다. 수 kev의 x선을물질에조사하였을때, 나노미터수준 (1-100 nm) 의구조에대한정보는 5도이하의소각영역에서나타나며, 측정하고자하는구조의크기가클수록더소각에서그정보가나타난다. 특히방사광가속기를이용하면, 이러한수준의구조가온도또는외부다른조건에의해변화하는것을실시간으로관찰할수있기때문에 SAXS의응용범위는매우넓으며, 더나아가최근대두되고있는용액상에서의고분자또는단백질실험을위한액상소각산란기법과수십에서수백 nm 두께를갖는박막시료를분석하기위한 GISAXS(Grazing incident small angle x-ray scattering) 기법이구현되면서지금그응용범위는더욱넓어지고있고, SAXS의활용도는크게증가하리라본다. 2. 빔라인포항방사광가속기 SAXS 빔라인은현재 2기가있으며, 광원으로는휨용전자석으로부터발생하는싱크로트론 x선을사용하고있다. SAXS 빔라인들은전형적인고분자, 콜로이드, 액정과같은거대분자물질을연구하기위하여시료의위치에서고선속을가질수있도록최적화되어있다 ( 시료위치에서약 ~ photons/sec/mm 2 (2.5GeV, 200mA)). 그리고격자간거리가 150nm까지의고분자나생체물질을연구할수있고, 표 1에서보는것처럼보통수십초의시간단위를가지는동역학적현상을규명할수있다. 3. 주요연구성과 (1) 거대블록공중합체의상변이상이분리된형태를보이는블럭공중합체는일반적으로수백나노미터보다작은구역크기를가진다. 블럭공중합체를이용나노기술에응용하려면블럭공중합체의구역크기를결정짓는특성에대한연구가필요하며, 이러한실험들은일반적으로온도또는압력등에따른상변이실험이다. 그림 4는폴리스티렌- 폴리펜틸메타아크릴레이트블록공중합체를음이온중합법에의해서합성한후 SAXS를이용하여폴리스틸렌- 폴리노르말펜틸메타아크릴레이트고분자조합체가 140~200 C 그림 4. 포항방사광가속기 X- 선빔라인과전자현미경을이용하여측정한실험결과로폴리스틸렌 - 폴리노르말펜틸메타아크릴레이트고분자조합체가 140~200 등의특정온도범위에서만나노구조를나타내고있음. [3] 표 1. 4C1 SAXS 빔라인의프레임당 SAXS 실험데이터수집시간. Materials Data Collection time[sec] Nanocomposities 10~60 Liquid Crystals 1~30 Block Copolymer 1~30 Biomolecules in solution ~ 600 등의특정온도범위에서만나노구조를나타낸다는것을밝힌예이다. (2) 나노기공을가진박막특성연구급성장하고있는반도체산업에는저유전율을가진물질이필요하다. 유전율을낮추기위해, 일반적으로사용하고있는방법은작은기공들을유전체에만드는것이다. 이러한물질의특성은기공의크기, 모양, 분포, 서로간의연결성에따라좌우되며이러한특성을규명하는것은매우중요하다. 특히반도체산업에서사용하기위한저유전물질로서나노기공을갖는박막은좋은기계적특성과, 작은크기를갖는소자를지지하기위한나노단위수준의작은크기, 서로연결되지않은기공을필수적으로가져야한다. 이러한저유전물질로서기공을갖는박막의기공의모양또는분포구조를분석하기위해사용하는측정방법은여러가지방법중 GISAXS 에의한방법이많이쓰이며그림 5에그예를보였다. (3) 단백질폴딩과언폴딩단백질이나 RNA와같은생체물질은고유의기능의발휘하기위하여임의의모양에서특정한모양으로접힌다. 그래서 참고문헌 [3] Jin Kon Kim et al., Cloosd loop phase behavior in blockcopolymer, Nature Materials 1, (01 Oct 2002) Letters. 26 물리학과첨단기술 March 2005

그림 5. 30% 기공형판폴리머를포함하는복합체로부터만들어진저유전율박막의 GISAXS 패턴. [4] 폴딩은염기서열과구조사이의다리역할을하고이에대한이해는생물학의가장중요한부분이된다. 폴딩과언폴딩사이의천이는 ph, 온도, 압력변화등을통하여일상적으로유발할수있으며, SAXS 실험은폴딩이일어날때구조변화를관측하는가장이상적인도구이다.

6 그림 5. 30% 기공형판폴리머를포함하는복합체로부터만들어진저유전율박막의 GISAXS 패턴. [4] 폴딩은염기서열과구조사이의다리역할을하고이에대한이해는생물학의가장중요한부분이된다. 폴딩과언폴딩사이의천이는 ph, 온도, 압력변화등을통하여일상적으로유발할수있으며, SAXS 실험은폴딩이일어날때구조변화를관측하는가장이상적인도구이다. 단백질이거의선형적인상태에서어떻게모양을접어가는지에대한질문은근본적으로나실제응용을하는데있어서대단히중요하다. 그림 6은 Urea의농도에따른 KSI 단백질의 SAXS 실험결과를보여주고있다. 0M이나 7M에비하여 5.2M 요소에서 KSI의크기는눈에띄게줄어들었다. 이것은부분적으로접혀있는단량체형태를가진중간단계가존재하는것을의미한다. 4. 향후전망과계획 포항가속기연구소에서추후진행할 SAXS 빔라인건설과 그림 6. (a) Dimeric ketosteroid isomerase(ksi) 의구조. (b) 자연상태의 KSI(circle), 5.2 M(square), and 7 M urea(triangle) 에서나오는 Kratky 산란도표 (c) 서로다른요소 ( 尿素 ) 의상태에따른 KSI 의실제유체역학적반경변화. [5] 개선은국내및국외의연구조건및분야의변화, 가속기의특성에맞추어극소각및고분해능을특징으로하는빔라인, 고강도및넓은범위의파장대를특징으로하는빔라인, 특화된실험장치 ( 박막의표면및계면연구장치 ) 가장착되는빔라인의건설을목표로하고있으며, 새로운 X-선원에서제공하는고선속은많은나노기술과생명공학연구분야에있어서많은기여를할것으로기대된다. [ 김제한 (jehan@postech.ac.kr), 박수영 (psy@knu.ac.kr)] 방사광을이용한고효율단백질결정학과신약개발 질병관련단백질의삼차구조는신약을개발하는데매우유용한정보를제공하므로단백질결정학은신약개발에중추적인역할을할것으로기대되어왔다. 그러나전통적으로단백질결정학에의한삼차구조규명은짧으면수개월에서긴경우는수년까지걸리는지루한과정을거쳐야했으므로구조에기초한신약설계를신약개발과정에서효과적으로활용하는데에제약이있어왔다. 이러한제약이 90년대말부터미국, 일본등을중심으로전개되어온대규모의구조단백질체연구를통한기술개발에힘입어상당부분해소되어가고있는데이러한신기술들은앞으로신약개발에있어서단백질삼차구조정보를더욱더효율적이고실용적으로활용할수있게할것이다. 1. 단백질의구조연구과정 단백질결정구조연구의과정 ( 그림 7) 은우선특정한단백질을순수하게분리정제하는과정이필요하며이렇게정제된단백질은다시결정화단계를거치게된다. 이렇게만들어진결정은 X-선을사용하여구조를분석하게된다. 방사광을결정에조사시켜회절된무늬를 CCD에서측정하게되는데이렇게측정된회절데이터에는각회절면에대한위상정보를가지고있지않다. 그러므로이런위상정보를얻기위하여여러가지방법을사용하게되는데종전에는측정하고자하는단백질원결정체 (native crystal) 와같은형태를가졌지만하나의무거운원소원자가달려있는결정체, 이른바동형태유도체 (isomorphous derivative) 를적어도 2개이상만들어이무거운원소들의위치를안다음이들로부터위상정보를얻어구조를푸는 MIR(multiple isomorphous replacement) 방법을사용하였다. 최근에는방사광의가변성을이용하여단 참고문헌 [4] Moonhor Ree et al., Ultralow-k nanoporous organosilicate dielectric films imprinted with dendritic spheres, Nature Materials (09 jan 2005 published online) Letters. [5] D.S. Jang, et al., submitted. 물리학과첨단기술 March

$백질결정단위셀내에있는무거운원자의흡수끝머리근처에서의비정상산란실험을통하여위상정보를얻어구조를푸는 MAD(multi-wavelength anomalous diffraction) 방법으로기존의방법보다정확한위상정보를얻어쉽게구조를풀고있다.$

7 단백질설계 단백질만들기 결정화 단백질구조분석 빔라인을이용한실험 신약개발 그림 7. 단백질구조연구과정. 비아그라 시알리스 그림 8. 포스포다이에스터레이즈 5 와비아그라 ( 빨간색 ) 의결합구조. 백질결정단위셀내에있는무거운원자의흡수끝머리근처에서의비정상산란실험을통하여위상정보를얻어구조를푸는 MAD(multi-wavelength anomalous diffraction) 방법으로기존의방법보다정확한위상정보를얻어쉽게구조를풀고있다. 또한이미잘알려진단백질의구조를이용하여같은단백질의새로운결정체나또는구조적으로관련이있는동류의단백질에관한일차적인해법을구할수있는데이방법을 MR(molecular replacement) 이라불리며, 최근 Patterson search 방법들을이용하여점점많은종류의단백질의구조가밝혀지고있다. 2. 주요연구성과지금까지 6B 빔라인에서는치매관련단백질, 저산소증관련단백질, 파킨스씨병의진행에관련된단백질, 암에관련단백질, 비만관련단백질, 및발기부전치료제관련단백질의구조등많은질병관련단백질의구조가풀렸으면이중대표적인것은비아그라표적단백질의구조를들수있다. 비아그라는가장잘알려진발기부전치료제이고비아그라의표적단백질이포스포다이에스터레이즈 5라는사실도이미알려져있었으나, 이둘사이의분자적상호작용은알려져있지않았다. 표적단백질과약사이의결합구조분석은보다결합력이강하고부작용이없는새로운신약개발의발판이되므로신약개발산업에있어필수적인과정이라할수있다. 따라서국내벤처기업에서규명한비아그라와포스포다이에스터레이즈 5 의결합구조 ( 그림 8) 는비아그라의작용원리를분자적수준에서세계최초로설명했을뿐만아니라비아그라보다우수한새로운발기부전치료제개발의길을열어주었다. [6] 개발노력이진행되어왔다. 그중특히결정화기술및결정회절자료수집의자동화가두드러진다. 우선단백질의결정화에는소량의정제된단백질로가능한한많은결정화조건을검색하는것이필요한데기존에는주로한조건당 1-2 μl의단백질을이용하여 가지의결정화조건을검색하는것이보통이었다. 그러나최근에는 5-20 nl의단백질로 4,000-9,000가지의조건을검색하는나노결정화및로봇기술이개발되어 [7] 앞으로질병관련중요단백질의결정화성공률을획기적으로높일것으로예측되고있다. 결정회절자료수집의자동화는방사광가속기빔라인의일반적사용에의해그필요성이증대되었는데, 초기에는특수한목적으로만활용되던방사광가속기가최근에는신약후보물질과표적단백질의복합체구조규명을통한신약설계및최적화를위하여다량의후보물질복합체결정구조를단시간에고해상도로규명하는데에활용되고있다. 이러한목적의응용을위하여결정시료의자동장착, 결정얼라인먼트, 회절강도스크리닝등을자동으로수행할수있는로봇및소프트웨어들이개발되어활용되고있으며, [8] 초고속단백질결정구조규명을통한신약선도물질의스크리닝기술도개발되었다. [9] 이러한기술발전에힘입어앞으로신약개발의효율성증대에있어서단백질결정학의활용은더욱더중요한위치를차지할것으로보인다. 국내에서는이미단백질결정학분야의기술들이잘확립되어있고세계적인연구결과들이발표되고있다. 특히포항방사광가속기에단백질결정학용빔라인들이속속건설되고있어이들의효율적인활용에의한고부가가치신약들이개발될것으로기대된다. [ 이흥수 (lhs@postech.ac.kr), 류성언 (ryuse@kribb.re.kr)] 3. 단백질구조연구의현황및형후전망 단백질결정학을이용한단백질삼차구조규명에서대상단백질의발현, 정제, 결정화를포함하는결정회절실험의시료제작과정과준비된결정으로부터회절자료를수집하고분석하는구조규명과정의효율성을획기적으로증가시키는기술 참고문헌 [6] Sung BJ et al., Nature 425, (2003) [7] Hansen C. L. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 99, (2002). [8] Muchmore, S. W. et al., Structure 58, (2000). [9] Lesuisse, D. et al., J. Med. Chem. 45, (2002). 28 물리학과첨단기술 March 2005

방사광을이용한마이크로이미지 뢴트겐에의해 100여년전부터시작된 X-선을이용한현미경법 (imaging method) 은 20세기말부터가속기를이용한광원의발달과컴퓨터의발달에의해실시간으로높은분해능의영상을얻는것이가능해져, 전세계의많은과학자들에의하여다양한분야에서활용되고있다.

작은광원으로인해 (coherence를이용하여 ) phase contrast가생기는이실험에서는 multilayer monochromator를사용하여약 8 kev로방사광을단색화하여사용하거나, 시료의 thickness가두꺼운경우에는 white beam을사용하기도한다.

8 방사광을이용한마이크로이미지 뢴트겐에의해 100여년전부터시작된 X-선을이용한현미경법 (imaging method) 은 20세기말부터가속기를이용한광원의발달과컴퓨터의발달에의해실시간으로높은분해능의영상을얻는것이가능해져, 전세계의많은과학자들에의하여다양한분야에서활용되고있다. 포항가속기연구소의 1B2 beamline에서도 1999년살아있는모기의영상을실시간으로얻는것을시작으로, 꾸준히 X-선현미경법을지속적으로발전시키고있다. 1. 실험방법및연구결과 1B2 beamline에서영상을얻는방법에는분해능에따라두가지로나누어진다. 첫번째는수 µm의분해능으로실시간영상을얻을수있는마이크로현미경법이다. 작은광원으로인해 (coherence를이용하여 ) phase contrast가생기는이실험에서는 multilayer monochromator를사용하여약 8 kev로방사광을단색화하여사용하거나, 시료의 thickness가두꺼운경우에는 white beam을사용하기도한다. 이렇게얻어진 beam을이용하여시료와 detector간의거리를조절하여시료를통과한 phase contrast 영상을 scintillator (CdWO 4 및 CsI) 를이용하여 X-선 image를가시광선 image 그림 11. Zone plate 외각부분의 bright field 영상 ( 지름 =160 m, 최외각 zone 의폭 =100 nm) 로전환하고, 현미경대물렌즈로확대하여마이크로분해능이가능하게한후, CCD camera를통해영상화한다. 이장치를이용한최고의분해능은 1.2 μm까지가능하고, 철쭉꽃수술에대한영상을그림 9에나타내었다. 두번째로는나노 scale 의분해능이가능한나노현미경법이다. [10] 기본 schematic diagram은그림 10과같다. 가속기에서나온방사광은단색화장치 (monochromator) 를통해약 6.95 kev를갖는단색광화된후, 일반광학현미경의 condenser lens 역할을하는 condenser zone plate(zp) 를통과하여시료의위치에집속된다. 이때사용되는 zone plate는지름이 4 mm, 최외각 zone의폭이 100 nm이며, 약 1.6 μm의두께를갖는 gold 를활용하였다. 이최외각 zone의폭과단색광에너지의크기에의해 depth of focus가결정된다. 또한 condenser ZP 를통과한 direct beam 및 0th order와 higher order beam을 block하기위해 center stop과 pin hole을사용한다. 시료를통과한 X-선영상을 objective ZP ( 지름 = 160 μm, 최외각 zone의폭 = 100 nm) 를이용하여약 30배로확대하고, CsI(Tl) scintillator를이용하여 X-선 image를가시광선 image로전환한후, 현미경대물렌즈로확대하여 CCD camera를통해영상화한다. 2. 향후전망및계획 그림 9. 철쭉꽃수술 ( 왼쪽그림의네모안 ) 의 2 차원영상 ( 오른쪽, 공간분해능 =3 µm). e - beam PLS pinhole sample image 최근당 beamline에서는공간분해능을높이기위해 objective ZP 및대물렌즈를교체할예정이다. 그림 11은 zone plate의 bright field 영상을보여주고있으며이영상의공간분해능은 100 nm이다. 또한 2차원의영상뿐만아니라 tomography도가능하도록계획중에있어곧 3차원영상의실현도가능할것이다. [ 윤화식 (hsyoun@postech.ac.kr)] center stop 0 m 22 m 25 m 28 m Monochromator Condenser ZP Objective ZP Scintillato 그림 10. Nano-imaging 을위한기본 schematic diagram. 참고문헌 [10] H.S. Youn, S.Y. Baik, and C.H. Chang, Rev. Sci. Instrum. 75, (2005). 물리학과첨단기술 March

독일칼수루에 (Kalsruhe) 원자핵연구소에서우라늄동위원소를분리하기위해 Slot nozzle( 그림 12) 을제작하는과정에서처음으로개발되었던공정으로방사광을이용해상대적으로두꺼운 X-ray 感光材에필요한패턴을노광, 현상한후도금, 몰딩을통해 3차원구조체를제작할수있다.

9 그림 12. LIGA 공정을이용해제작한마이크로노즐. 방사광을이용한 Micro-Machining 지금선진각국에서는방사광을이용한첨단과학기술의개발연구가괄목할만한성과를쌓아가고있고, 다음세기에는새로운기술혁신, 신산업의구축이확실시되고있다. 방사광을이용한응용연구로서는이미알려져있는 X-ray lithography 기법을이용한반도체개발에응용을시작으로최근에주목을받고있는연구분야로서 LIGA공정을이용한마이크로머시닝 (micromachining) 이다. 1. LIGA 공정이란? 독일칼수루에 (Kalsruhe) 원자핵연구소에서우라늄동위원소를분리하기위해 Slot nozzle( 그림 12) 을제작하는과정에서처음으로개발되었던공정으로방사광을이용해상대적으로두꺼운 X-ray 感光材에필요한패턴을노광, 현상한후도금, 몰딩을통해 3차원구조체를제작할수있다. 폭수um 에서깊이수mm 또는 cm까지의 High Aspect Ratio ( 높이와폭의비 : > 100) 를가지며측면거칠기가 1μm이하의초소형정밀미세구조물제작의실현이가능하다. 3차원미세가공기법으로제1단계는금으로패턴이입혀진 X-ray 마스크를통해서레지스트를노광시키고현상하는 X-ray 식각 (X-ray lithography) 단계이고제2단계는노광된부분을제거하여만들어진레지스트미세구조를전해성형에의한금속 (Cu, Au, Ni 등 ) 으로채워금속구조물을만드는정밀도금 (Electroplating) 단계이다. 마지막단계로금속구조물을이용하여플라스틱이나세라믹구조물을대량제작하는정밀사출기술 (Moulding) 공정으로이루어진다. 이중가장중요한것은식각에사용하는방사광광원의특성이다. 2. 방사광이왜유용한기구인가? 싱크론트론방사광은강도가기존의광원보다적어도수만배이상의강한펄스광원이며, 평행성이매우좋아퍼짐이아 그림 13. LIGA 공정의개념도. 주작고, 연속에너지스펙트럼을가지고있고, 고진공에서방생하는아주깨끗함광원이라는탁월한특성을가지고있다. 따라서기존의광원에비해노광시간을극단적으로줄일수있고, 퍼짐이매우작아높은고폭비의구조의실현이가능하다. 또한임의의파장역을선택함으로써마스크기판의자유도를증가시킬수가있어, 싱크로트론방사광이야말로 LIGA 공정에최적의 X-선광원이라고할수있다. 3. 연구및응용분야마이크로머시닝기술개발연구는방사광관련연구와 X-ray lithography 관련연구를기초로하여미소기계, 미소전자전기제품을개발하여앞으로전개될 21세기마이크로머신시대에맞추어관련산업의기술력을확보하여국가경쟁력을높이는데초점을두고있다. 현재마이크로머시닝기술과관련되어주목을하고있는응용분야로는미래의광통신분야에사용잠재력이큰광부품의응용을비롯해항공우주분야와같이중량대비비용의효과가큰분야, 인체내의진단및치료를위한마이크로캡슐제조등의의용분야, 적진탐지용미소정찰기의개발과같은군사분야등많은분야에응용연구가진행되고있다. 4. 연구현황세계적으로 LIGA공정을주도하고있는곳이독일의 IMT 와미국의 Wisconsin 대학의 UW-Medison이다. 이곳에서방사광을이용한 LIGA공정에의한마이크로머시닝관련첨단과학기술의기초및응용개발기술이수행되어많은연구결과가보고되고있다. LIGA 전용빔라인이 1998년말준공이되어현재운전중에있다. 이것은국내연구자들을위해개방되는연구시설로서완성되면국내에서도 LIGA공정에대한 30 물리학과첨단기술 March 2005

그림 14. Micro lens (PAL/KETI). 그림 16. Micro Gear(PAL/ETRI). 그림 15. Turbin blade (EPFL).

방사광을이용한미세가공기술은 21세기의주도적기술분야로주목을받고있으며, 선진각국에서는이미경쟁적으로이분야연구개발에박차를가하고있고투자를아끼지않는상황이다.

를나타내고있으며, 일본시장의경우해마다 15% 정도의고성장을보이고있다. 최소한같은추세로성장한다고가정하면 2000년대에들어미국및일본시장은각각 36억달러와 1600억엔규모를갖게될것으로예다.

따라서유럽, 미국일본시장증가율을고려하면앞으로수년내에전체세계시장의 1/3 정도를마이크로머신분야가차지할것으로예상된다. 이와같이현재가시적인효과는없으나수년내에마이크로머신분야의수요는폭발적으로증가가있을것으로예상된다.

10 그림 14. Micro lens (PAL/KETI). 그림 16. Micro Gear(PAL/ETRI). 그림 15. Turbin blade (EPFL). 연구및기술개발이적극적으로진행될것으로기대되며마이크로머신분야에서도선진국을따라잡는데매우유리한환경을제공할것이다. 방사광을이용한미세가공기술은 21세기의주도적기술분야로주목을받고있으며, 선진각국에서는이미경쟁적으로이분야연구개발에박차를가하고있고투자를아끼지않는상황이다. 현재이분야를이끌어나가는선진연구그룹은미국의위스콘신대학의 UW-Madison, 루이지아나대학의 CAMD, 독일의 IMM, IMT 등이있고국내에서는포항방사광을이용한이분야의연구를전자부품연구원 (KETI), 전자통신연구원 (ETRI), LG생산기술연구원들이적극적으로참여개발하고있다. 5. LIGA 기술전망아직까지 LIGA 기술을이용하여요소부품을제작하거나판매한적이없어그시장을조사할수는없으나지금까지조사된미국및일본의마이크로머신시장을그예로들면 1990년부터 1999년까지연간시장증가율이평균 18% 를나타내고있으며, 일본시장의경우해마다 15% 정도의고성장을보이고있다. 최소한같은추세로성장한다고가정하면 2000년대에들어미국및일본시장은각각 36억달러와 1600억엔규모를갖게될것으로예다. 최근유럽 LIGA 협회의조사에의하면수백억파운드의세계시장이앞으로 20여년내에전개되리라는보고도있 그림 17. Micro Gear (PAL/ETRI). 었다. 따라서유럽, 미국일본시장증가율을고려하면앞으로수년내에전체세계시장의 1/3 정도를마이크로머신분야가차지할것으로예상된다. 이와같이현재가시적인효과는없으나수년내에마이크로머신분야의수요는폭발적으로증가가있을것으로예상된다. [ 장석상 (sschang@postech.ac.kr), 박순섭 (parkss@keti.re.kr)] 맺음말위에서살펴본바와같이방사광은물리, 화학, 생물학, 의학등의기초과학분야뿐만아니라신소재, 기계, 전자, 환경, 생명공학, 철강, 반도체등의의용분야에다양하게활용되고있다. 표면의나노구조를연구하거나, 환경오염물질에대한연구, 신약개발관련단백질구조연구, 마이크로크기의구조물제작, 폴리머재료를사용하는분야및생명체의내부구조관찰, 등산업체에서의활용이커지고있는상황이다. 또한아직도지금까지불가능했던실험분야에서새로운시도가끊임없이시도되고있고현재까지보지못했던현상을새롭게관측가능하게됨으로서방사광의 X-선활용가능성은무궁무진하다고할수있다. 앞으로방사광을이용할수있는미개척분야와산업체에서의적극적인방사광의활용을기대해본다. 물리학과첨단기술 March

<5BB0EDB3ADB5B55D32303131B3E2B4EBBAF12DB0ED312D312DC1DFB0A32DC0B6C7D5B0FAC7D02D28312E28322920BAF2B9F0B0FA20BFF8C0DAC0C720C7FCBCBA2D3031292D3135B9AEC7D72E687770>

<5BB0EDB3ADB5B55D32303131B3E2B4EBBAF12DB0ED312D312DC1DFB0A32DC0B6C7D5B0FAC7D02D28312E28322920BAF2B9F0B0FA20BFF8C0DAC0C720C7FCBCBA2D3031292D3135B9AEC7D72E687770> 고1 융합 과학 2011년도 1학기 중간고사 대비 다음 글을 읽고 물음에 답하시오. 1 빅뱅 우주론에서 수소와 헬륨 의 형성에 대한 설명으로 옳은 것을 보기에서 모두 고른 것은? 4 서술형 다음 그림은 수소와 헬륨의 동위 원 소의 을 모형으로 나타낸 것이. 우주에서 생성된 수소와 헬륨 의 질량비 는 약 3:1 이. (+)전하를 띠는 양성자와 전기적 중성인 중성자