권두언 새로운시대의창의적연구문화 : 집중에서협업과분산으로권면 ( 국가핵융합연구소 ) 특집 포항가속기연구소 10A Nanoscopy 빔라인김봉수 ( 포항가속기연구소 ) 밝은빛이용우수연구논문 - 원핵생물에서 SMC-kleisin 복합체의비대칭적구조신호철, 오병하 ( 한국과학기술원 ) - Ag 와 Au nanoparticle 에대한전하선택적 SERS 특성연구박정희 ( 고려대학교 ) - 리포좀과탄소나노튜브의정전기적상호작용을이용한자기조립탄소나노튜브초구조체제조연구김태환 ( 한국원자력연구원 ), 최성민 ( 한국과학기술원 ) - Cr 도핑에의한 Li4Ti5O12 의이례적인구조적무질서도감소및전지성능향상에관한연구송한나, 김용태 ( 부산대학교 ) - HIV-1 추출펩타이드의세포막투과메카니즘의모델신관우 ( 서강대학교 )

VOL.20/NO.1/Spring 2013 일본엑스선자유전자레이저 SACLA 이용후기 김찬, 김윤희 ( 광주과학기술원 ) 1. SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA) 현재운영되고있는엑스선자유전자레이저는전세계적으로미국 Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) 에있는 Linac Coherent Lig ht Source (LCLS) 와일본 SPring-8 에있는 SACLA 뿐이다. 4세대가속기로불리는이자유전자레이저는기존 3세대가속기에비하여거의완벽한결맞음성질 (Fully transv erse coherence) 을가지고 1000배정도증가된광량을자랑한다. 그뿐만아니라엑스선펄스폭이 1000배이상짧은수십펨토초로기존에는불가능하였던시간분해실험을가능하게한다. SACLA의경우 2006년부터 2010년에걸쳐서건설되어 2011 년 2월 21일에빔커미셔닝을시작하였고, 2011년 6월 7일 0.12 nm파장의엑스선발생을확인하였다. 그후몇개월간장치최적화과정을마친후 2012년 3월 1일부터일반이용자실험을시작하였다. SACLA는크게네부분으로구성되어있는데, 먼저전자를방출시킬수있는전자총부분이있다. SACLA의경우낮은발산도 (Low emittance) 를위해서열전자총 (Thermionic gun) 을사용한다. 그 그림 1. SACLA와 SPring-8의항공사진렇게방출된전자들은선형가속기 (Li nac) 를통과하여가속된후진공형언듈레이터 (In-vacuum undulator) 를통과하여강력한광량을실험허치 (Experimental hutch) 로보내주게된다. 2. Experimental Hutch ( 실험허치 ) 전자총에서시작하여선형가속기와언듈레이터를통과하여발생된엑스선을활용하여실험허치에서다양한실험을수행하게된다. 먼저실험허치로들어온엑스선은 Kirkpatrick-Baez (KB) 미러를통해서수십나노에서수십마이크로크기로집속된다. 빔크기가작아지면작아질수록단위면적당광량은증가하지만그만큼시료를찾는데 어려움이많아지고빔의위치변화에민감해지기때문에실험의어려움이커진다. 하지만나노미터크기의과학을연구하기위해서는이와같은어려움을극복해야하지않을까생각한다. 다음으로시료로부터산란된신호는 SACLA 연구진이개발한 MP (Multi-Port) CCD를활용하여측정한다. MPCCD는상용되고있는 PI사의 CCD에비하여동적범위 (Dynamic range) 가 4배향상된 218이다. 6 kev 에너지의엑스선의경우대량 300 포톤정도까지측정가능하다. 3. 빔타임신청에서 SACLA 도착까지먼저실험을위해서는빔타임신 45

그림 2. SACLA 실험허치이미지. 회전하면서찍은파노라마사진으로오른쪽벽은동일한벽이며허치는선형으로되어있다. 청서를작성하여야한다. 관련정보는 SACLA 홈페이지 http://xfel.ri ken.jp/eng/index.html 에서얻을수있다. 신청서를제출한후빔타임을배정받으면그날짜에맞춰서필요한서류들을준비하여야한다. 사전에실험허치에출입을위해서필요한서류를최소실험시작일주일전에는보내줘야한다. SACLA는 SP ring-8과마찬가지로안전교육과관련된서류에국내에서최근 1년간방사선관련안전교육을받은기록과건강검진기록을기재해야하는것을감안하면빔타임을배정받은후부터준비하는것이좋을것이다. 안전교육, 출입증, 숙소신청에필요한서류는관련담당자가전자메일을통해서보내준다. 서류업무를마친후실험준비가완료되면실험을위해서 SACLA로이동한다. 보통간사이국제공항을이용하는데, 다른방법으로는오카야마공항을이용할수있다. 오카야마공항을이용할경우 SACLA까지 1시간 30분정도소요되는데국내에서하루 1회비행하는오카야마행비행기는밤에도착하기때문에대중교통보다는렌트카를이용할경우에만추천한다. 일반 적으로간사이국제공항을이용하는데, 가장싸게이동할수있는방법은공항리무진 ( 고베산노미야왕복티켓 ) 을이용한후전철과버스를이용하는방법이다. 리무진을타고산노미야역에내린후 JR고베선 (JR 神戶線 ) 을타고아이오이 ( 相生 ) 역까지이동한다. 전철로이동할때보통히메지 ( 姬路 ) 역에서환승을하지만시간이맞으면환승없이아이오이역까지갈수있다. 아이오이역에서는 SPring-8까지가는버스를타고종착역까지가면우리의목적지에도착하게된다. 4. SACLA에서의실험실험을시작하기에앞서안전교육을받아야한다. 안전교육시간은이용자가편리한시간으로잡아주며 SPring-8 이용자사무실이나 RIKEN 방사선안전관리사무실에서교육이이루어진다. 첫방문의경우에교육시간은 1시간 30분정도이고그전에이용한적이있는경우에는 30분정도의비디오시청을한다. 교육이완료되면출입증과방사선량계를받아서실험실출입이가능하다. 실험조건에맞게빔조절과장치를설치하 기위해서는실험시작하루전에와서 SACLA 담당자와회의를하는것이유리하다. 실제실험에서는하나의시료를측정하는데 1/60초가소요되기때문에많은양의시료를준비해야한다. 지난 2012년 7월실험에서본연구진은미토콘드리아를준비하였는데개수는대략 108개정도였다. 액체분사기 (Liquid injector) 를활용하여엑스선결맞음회절이미징 (X-ray coherent diffraction im aging) 실험을수행할경우하루동안실험을하기위해서대략 1010개의시료가필요하다. 그뿐만아니라이틀실험하는동안저장된데이터의용량이 4TB 정도이다. 외부에서서버에접속해서파일을다운로드받을수있지만대용량외장하드를준비하여실험도중에데이터를틈틈이다운로드받는것이유리하다. 실험허치안에는광학현미경과미니전자투과현미경이있어서시료상태및변화관찰이가능하다. 한가지주의해야할점은실험허치내에서음식물섭취가금지되어있다는것이다. 그리고 2층회의실한쪽편에안락의자를비치해놓아서실험도중잠깐휴식을취하기에적합하다. 46 방사광과학과기술

VOL.20/NO.1/Spring 2013 5. 실험을마치며연구소는산꼭대기에위치하고있어시설밖에나가는것은힘들지만식당, 매점그리고자판기시설이잘되어있어서머무르는데지장이없다. 외부식당에꼭가고싶다면차로 5분정도혹은걸어서 30분정도나가면 코토프라자 가있다. 그곳에는식당과술집그리고마트가있지만일찍문을닫는다. 걸어서도갈수있지만밤에는가로등도거의없고야생동물도가끔나타나기때문에조심하는것이좋다. 연구소주변에는사슴이무리지어다니는것을자주목격할수있다. 가끔여우나멧돼지도나오기때문에조심해야한다. 특히겨울철에는먹을것이부족하여더자주나타나는것같다. 실험을하는동안수십명의도움을받으면서실험을진행하였다. 일일이모든분들에게감사의인사를드리지못하였는데이자리를빌려감사의말을전하고싶다. 과학이발전함에따라서더많은사람들의도움과협력이중요해지는것같다. 우리스스로자신의연구에더열중해서다른사람들에게도움을줘야겠다는것을느꼈다. 마지막으로엑스선의광량과펄스폭문제로 3세대 가속기에서할수없었던실험을경험한것은견문을넓히는데큰도움이된것같다. 포항가속기연구소에서준비하고있는 4세대엑스선자유전자레이저설비가빨리작동하여국내에서도이와같은혜택을누릴수있기를바란다. 저자약력 김찬, 김윤희대학원생은광주과학기술원신소재공학부박사과정에재학중이다. kimchan2000@gist.ac.kr, yoony@gist.ac.kr 47