과학기술 및 연구개발사업 동향브리프 2012-12 원자와 전자의 움직임을 관측 제어하는 아토초 과학 Scientific Innovation Enabler의 가능성 탐색 김형택 안상진 2012. 11. Korea Institute of S&T Evaluation and Planning
과학기술및연구개발사업동향브리프 2012-12 과학기술및연구개발사업 동향브리프 는연구개발분야에서최근에주요이슈로대두되는기술분야별추진현황과정책동향을분석하여매년수행되는정부연구개발투자를효율적으로지원하고자발간되고있습니다. 원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 1. 개요 2. 기술동향 3. 투자동향 4. 전략분석 5. 결론 1 5 17 27 30
개요 1. 개요 1.1 작성배경 최근 (2012.9.14) 국무총리주재로열린국가정책조정회의에서 국가 R&D 사업도전성강화방안 을확정하는등도전적 R&D 에대한관심이고조되고있음 - 도전적 R&D 는세계최초또는세계최고수준을지향하여혁신적도약을이끌수있는 연구개발을의미 - 실패위험성은높지만성공할경우 1 학문적성취가높거나, 공공복리향상에 현저한기여가가능하거나, 2 산업활용도가높아고수익창출이가능하거나새로운 산업군 ( 시장 ) 형성이가능하다는특징을가짐 미국에너지부 (U.S. Department of Energy: DOE) 의과학국 (Office of Science) 에서는 2007년말이미 21세기를주도할 5가지거대한도전과제 (Grand Challenges) 를제시, 장기적관점에서투자에착수함 - 5가지도전과제는과학적인심오성, 명확한정의, 에너지관련기초과학과의폭넓은파급력, 삶의질개선이나에너지안보등의실질적결과창출가능성을중심으로선정됨 - 5가지도전과제는전자수준의물질변화제어, 효율적인물성설계, 놀랄만한물성의이해및제어, 나노수준생명체구현기술, 비평형물성분석및제어임 - DOE의과학국은 2007년미국경쟁력법 (America COMPETE Act) 에의해 FY2016까지예산을 2배로확대하는연방정부기관으로향후미국의국가경쟁력을책임질 R&D에집중투자하고있음 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 1
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 DOE에서제시한 5가지도전과제는양자역학을능동적인도구로사용하는기술에초점이맞추어졌으며, 관련기반기술연구는최근노벨과학상을지속적으로배출하는중요한주제임 - 양자역학을능동적인도구로사용하는기술이발전된다면메타물질 1), 도청이불가능한통신장치, 공간이동 2) 등 SF영화같은일이현실로될수있음 [ 표 1] 양자역학의능동적활용과관련된노벨과학상 연도수상분야수상자공헌 1997 물리학 S. Chu 3) 외 2 인레이저광양자를이용한 atomic trap 으로절대영도 ( 섭씨영하 273 도 ) 를구현 1998 화학 W. Korn, J. Popple 분자를설계하는이론적도구인제일원리양자역학모형 1999 화학 A. H. Zewail 화학반응을실시간으로관찰하는펨토초 4) 분광학 2001 물리학 E. Cornell 외 2 인거시적으로양자역학적현상이관측되는집합체인 Bose-Einstein 응축상태구현 2005 물리학 J. L. Hall 외 2 인레이저기반정밀기술인광학적결맞음에대한양자이론 2012 물리학 S. Haroche, D. J. Wineland 개별적인양자시스템을측정하고조작할수있게한실험방법 출처 : http://www.nobelprize.org/ S. C 초 3) 펨토초 4) 아토초과학은 DOE에서제시한 5가지도전과제달성을위한공통적핵심기술이므로, 도전적 R&D에대한관심이높아지는국내외환경에서아토초과학관련동향을조사 보고하고자함 1) 자연에서발견되지않는물성을갖는인공적인구조물을의미함. 투명망토의원료가되는광학메타물질은유전율과투자율이모두음수인특성을나타냄 2) 영화스타트랙에는워프항법장치가나오는데양자역학은그이론적기반이됨 3) 현재미국에너지부 (DOE) 장관 4) 1 펨토초 (femtosecond) = 10-15 초 2 동향브리프 2012-12 호
개요 출처 : G. R. Neil, Jefferson 가속기연구소발표자료 [ 그림 1] 아토초과학의구성요소와 5 개도전과제와의관계 1.2 아토초과학의정의및도구 아토초과학은원자나분자수준에서전자의운동을관측, 발생, 제어하는초고속초정밀기술을연구하는분야임 - 아토 (atto) 는 10-18 (100경분의 1) 을의미하는접두사이며, 1아토초는빛이 0.3nm의길이 ( 원자의지름정도 ) 를진행하는동안걸리는시간에해당함 - 원자내전자의움직임 ( 회전주기 ) 이약 180아토초에해당하므로, 펨토초과학은화학변화원인분석과능동적제어에는제한적인역할만을담당함 - 아토초과학은펨토초과학의연장선상에위치하는동시에, 그한계를돌파할수있는기술임 - 그러므로아토초과학은일차적으로화학이나나노과학의초정밀분석도구에서물질의성질이나양자역학적현상을인위적으로제어하는도구로활용가능 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 3
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 아토초과학은지금까지정태적 ( 情態的 ) 인평형상태를주로활용한고전적인화학이나나노과학에동태적 ( 動態的 ) 인도구를제공함으로써비약적인발전을이끌것으로기대됨 - 물질의특성은화학결합과같이전자의운동과밀접한관계를가지며, 화학결합과관련된전자의운동은주로펨토초 (10-15 초, 1000조분의 1초 ) 나아토초 (10-18 초, 100경분의 1초 ) 영역에서이루어짐 - 고전적화학이나주류나노과학의연구수단은이것을통제할수없어주로정태적 ( 情態的 ) 인평형상태에관심이집중된반면, 아토초과학에서는이를연구할수있는도구를제공함 비교예 ) 고전적화학이나나노과학 - 스포츠신문아토과학 - TV 스포츠중계 아토초과학은활용되는도구에따라펄스광원기술과시분해, 초정밀측정기술로 구분될수있으며, 각각의기술은아토초과학을위한기반으로작용함 [ 표 2] 아토초기술의분류체계 1 계층 2 계층설명 ( 간단히개념만 ) 펄스광원기술 구동 (triggering) 기술 조정 (steering) 기술 초강력펨토초레이저를이용한초고속전자구동기술및아토초펄스발생기술 초고속초정밀레이저조절을통한원자나분자내의전자의운동을조절하는기술 시분해측정기술 탐지 (probing) 기술 영상 (imaging) 기술 아토초펄스측정및초고속전자구동을포착하는기술 분자내전자의분포를시공간적으로재구성하는기술 초정밀측정기술 탐지 (probing) 기술 영상 (imaging) 기술 원자나분자로부터순간적으로발생하는전자, 이온, 빛을측정하는기술 원자나분자로부터발생하는이온과전자의속도분포측정및산란광분석 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 4 동향브리프 2012-12 호
기술동향 2. 기술동향 2.1 시분해분광학 (Time-Resolved Spectroscopy) 시분해분광학은물질이나화합물에서일어나는빠른특성변화를연구하는 분야로, 물리학과물리화학이융합된영역에위치함 시분해분광학은카메라플래쉬로짧은빛을비추고 (pump), 이를고속카메라로 관측 (probe) 하는것과같은원리로초고속현상을측정하는기술 시분해분광학의시스템은 pump 광원과 probe 광원의조합으로구성되며, pump 와 probe 의동기화기술과짧은펄스폭을가진광원개발이핵심임 - pump 광원은펄스광원으로물질을활성화시키는역할을하며, probe 광원은펄스광원으로발광이나빛의흡수를관측하는역할을함 - 펄스레이저가발명되기이전에는 1 시분해분광학의개념, 2 pump 광원과 probe 광원의동기화, 3 시분해분광학으로화학반응의중간체를관측할수있었음 - 펄스레이저가개발되면서 1 화학반응에서화학결합이변화하는과정에대한실시간관측, 2 원자내전자의빠른움직임관측이가능하게됨 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 [ 그림 2] 시분해분광기술의발전 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 5
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 펄스레이저및관련기술의발전으로 10나노초이하수준의시분해분광학이가능해져, 물성연구에새로운지평을열어줌 - 1960년대 Q스위칭기술과모드잠금 (Mode-Locking) 기술이개발된후레이저펄스폭을줄이는기술은빠르게발전, 1980년대에본격적으로펨토초레이저가개발됨 - 펨토초레이저의절대위상안정화기술의개발로 2000년대초반아토초레이저펄스를발생시키는기술이보고되기시작 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 [ 그림 3] 연도별레이저펄스폭의발전 시간간격에따라움직이는대상, 영역등이상이하며, 물성은아토에서피코초 사이에일어나는원자나전자의배열과관련됨 출처 : 과학과기술, Vol. 498, p. 44-49, 2010 년 11 월호 [ 그림 4] 시간의단위및자연계의현상 6 동향브리프 2012-12 호
기술동향 물질의특성결정과관련된현상은주로나노초보다짧은시간에발생하며, 짧은레이저펄스의개폐 ( 開閉 ) 를활용하여신호를측정하는 Optical Gating 으로관측할수있음 - 전자공학기술을활용한펄스는주로나노초영역까지발생되며, 초고속카메라나전자계측장비가여기에해당함 - ICCD 카메라, 스트릭카메라, 시간상관단일광자집계법 (Time Correlated Single Photon Counting) 으로피코초영역까지관측가능함 - Optical Gating 은매우빠른광학소자를이용하여카메라의기계식셔터와같은역할을하도록하는것으로, 피코초보다빠른신호를관측하기위하여사용되는기술적개념임 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 [ 그림 5] 스트릭카메라의구동원리 화학반응에가장중요한역할을하는외각껍질전자의운동시간은주로수십아토초에서수십펨토초범위에해당 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 [ 그림 6] 시간단위에따른미시세계의에너지, 상태, 전자밀도비교 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 7
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 2.2 아토초과학의주요논제 아토초과학의이상적인형태는완벽한아토초단일펄스표준광원으로 pump 와 probe 를구현하여, 원자와전자의움직임을완벽하게관측 제어하는것임 그러나완벽한아토초단일펄스표준광원은아직까지신뢰성있게지속적으로구현하기가쉽지않은상황이므로, 아토초과학의주요논제는완벽한아토초단일펄스표준광원발생과관련되는기술과불완벽한아토초단일펄스표준광원을활용하는기술로구별되어발전되는추세임 이와관련하여아토초과학의주요논제도앞선 [ 표 2] 에요약한것과같이 분류하여검토할수있음 펄스광원기술개발 : 초강력펨토초레이저및그제어기술 - 아토초기준단일펄스광원은 1 아토초의펄스폭에상당하는안정적인펄스를 2 관측 제어하는원자나전자에충분히작용할수있도록고휘도, 고출력으로 3 지속적이며인위적인제어가가능한형태로구현하는것이중요함 - 주요발전방향을 1 펄스의안정성, 2 고휘도 고출력, 3 지속적이며인위적인제어중어느것에주안점을두는가에따라서 [ 표 3] 처럼주요논제가달라짐 [ 표 3] 펄스광원기술의주요논제 1 계층 2 계층 초강력펨토초기술 기반기술 초강력펨토초파형제어기술 펄스광원기술 구동 (triggering) 기술연속적인아토초펄스다발발생아토초펄스다발의특성조정 조정 (steering) 기술 단일아토초펄스발생 펨토초파형조정을통한원자내전자의운동조정 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 를중심으로저자재구성 8 동향브리프 2012-12 호
기술동향 - 펄스레이저와원자또는전자의상호작용으로아토초영역시간폭을갖는고차조화파 5) 를발생하게되며, 이러한현상을발생 제어 계측하는기술은시분해측정기술의핵심임 - 고차조화파는통상적으로여러개의아토초펄스가연달아나오는아토초펄스열의형태를가지고있어, 단일아토초펄스를발생시키는기술을개발할필요가있음 출처 : KAIST 결맞는 X- 선연구단 [ 그림 7] 고차조화파아토초펄스발생개념 - 통상초강력펨토초레이저펄스에서는펄스의외곽모양 6) 과이내부의파동의위상 7) 의시간적위치가무작위로변화하는데, 단일아토초펄스를구현하기위해서는펄스외곽모양내에존재하는파동의위상을아토초수준까지제어할수있어야함 - 아토초펄스의특성제어, 물질내의전자구동조절, 가장정밀한시간표준이아토초과학의핵심기술에해당 5) 원자내전자를주기적으로구동하여발생한넓은파장영역 (XUV 에서 soft X-ray) 의전자기파 6) [ 그림 8] 의붉은선 7) [ 그림 8] 의남색선 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 9
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 2 E(t) T rep time 출처 : Science Vol. 288 (2000) & http://iramis.rea.fr [ 그림 8] 절대위상변화시분해측정기술개발 : 아토초펄스를활용한시분해측정기술 - 시분해측정기술은구현된펄스광원이 1 이상적인아토초단일펄스표준광원에가까운경우, 2 펨토초펄스수준보다는우수하나이상적인아토초단일펄스표준광원은아닌경우, 3 펨토초펄스인경우에따라달라짐 - 이상적인아토초단일펄스표준광원에가까운경우에는단일아토초펄스광원으로 pump와 probe를구현하여시분해측정을구현할수있음 - 펨토초펄스수준보다는우수하나이상적인아토초단일펄스표준광원은아닌경우에는주로아토초펄스다발로나타나므로, 간접적인방법으로시분해측정을시도할수있음 - 펨토초펄스레이저의상대적위상차를이용하여, 맥놀이 (beat) 와유사한방법으로제한적으로아토초수준의시분해측정을할수있음 - 고차조화파발생은단순히수동적관측에만그치지않고, 그자체를능동적으로이용하여분자의오비탈구조를아토초시간영역에서재구성하는등다양한연구가진행중 [ 표 4] 시분해측정기술의주요논제 1 계층 2 계층 고휘도아토초펄스다발 기반기술 단일아토초펄스 시분해측정기술 탐지 (probing) 기술 영상 (imaging) 기술 주기적인전자의초고속운동여기및측정 분자의오비탈구조재구성 아토초극자외선 /X 선펄스로유발된초고속전자여기현상측정 아토초급펄스에의해유도된물질내부의전자및구조변화관측 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 를중심으로저자재구성 10 동향브리프 2012-12 호
기술동향 초정밀측정기술 : 초정밀입자 / 광자측정기술 - 초정밀측정기술의기반기술은이온검출기, 전자검출기, 이온-전자검출기, 광양자검출기로구성 - 아토초펄스와물질의상호작용에서발생하는전자, 이온, 빛에대한초정밀측정기술의발전에따라타분야로발전될가능성존재 [ 표 5] 초정밀측정기술의주요논제 1 계층 2 계층 기반기술 이온검출기전자검출기이온 - 전자검출기광양자검출기 초정밀측정기술 탐지 (probing) 기술 영상 (imaging) 기술 전자의들뜸 / 이완연구 화학반응중인분자연구 이온조각들의 3 차원운동량분포 방출된전자의운동에너지분포측정 전자의 3 차원운동량분포 산란된전자의 2 차원운동량분포 이온과전자의에너지동시측정 전자와분자의에너지 / 운동량동시측정 광양자에너지분포측정 광양자의 2 차원에너지분포 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 를중심으로저자재구성 아토초과학의향후과제 - ( 기초연구의과제 ) 고휘도펄스개발을위한상대론적고차조화파의시간폭최적화및단일아토초펄스발생기술개발이진행될것으로전망됨 - ( 응용연구의과제 ) 나노과학, 재료과학, 생명과학등과의융합을통하여, 기존과학에새로운돌파구를위한계기마련 - ( 개발연구의과제 ) 이미징기술을구현하기에는아토초펄스의세기가낮아 8), 현재보다높은에너지수준 9) 의아토초펄스개발이필요함 - ( 상용화연구의과제 ) 아토초과학을구현하는기반기술이매우복잡하고난해하여현재보다쉽고, 단순하고, 경제적인기반기술개발이필요함 8) 펄스당 nj 수준으로시분해분광측정은가능함 9) 펄스당 μj 수준 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 11
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 2.3 아토초과학의세계선도그룹연구동향 아토초계측기술의세계선도그룹은미국국립표준기술연구소 (NIST), 독일막스플랑크연구소 (MPQ), 캐나다오타와대학교의 JASLAB, 일본의이화학연구소 (RIKEN) 등이며, 초강력펨토초제어기술, 아토초펄스발생기술, 아토초측정및초고속분광학기술을중심으로연구가진행됨 [ 표 6] 아토초기술의기반기술및관련기술 구분기반기술관련기술 펄스광원기술 1. 초강력펨토초기술 2. 초강력펨토초파형제어기술 a. 연속적인아토초펄스다발발생 b. 단일아토초펄스발생 c. 아토초펄스다발의특성조정 d. 펨토초파형조정을통한원자내전자의운동조정 시분해측정기술 1. 고휘도아토초펄스다발 2. 단일아토초펄스 a. 주기적인전자의초고속운동여기및측정 b. 분자의오비탈구조재구성 c. 아토초극자외선 /X 선펄스로유발된초고속전자여기현상측정 d. 아토초급펄스에의해유도된물질내부의전자및구조변화관측 출처 : Review of Modern Physics, Vol. 81 를중심으로저자재구성 미국은국립표준기술연구소 (NIST) 를중심으로절대위상제어기술, 펄스광원기술개발분야에있어연구를선도하고있으며, 센트럴플로리다대 CREOL 연구단및미시건대학의 CUOS 연구단에서도관련기술개발을진행하고있음 - ( 펄스광원 1-a 선도그룹 ) 콜로라도대학과 NIST 의공동연구소인 JILA 의원자, 분자, 광학물리센터 (Center for AMO) 는아토초펄스발생및응용연구를주도함 - ( 펄스광원 1-a, b) 센트럴플로리다대 CREOL 연구단은이중광학회절격자기술을사용한 67 아토초의펄스를발생시킴 - ( 펄스광원 1-a, b, c) 미시건대학의 CUOS 연구단에서 500TW 출력, 30 펨토초 펄스폭의 HERCULES 레이저를사용하여고차조화파발생, 아토초급엑스선발생 등에활용중 12 동향브리프 2012-12 호
기술동향 ( 시분해측정기술 1-b 선도그룹 ) 캐나다국립연구회와오타와대학교의공동연구소인 JASLAB의 P. Corkum 박사는아토초광원발생의기초이론창시자이며, 최근고차조화파를이용한분자오비탈재구성및분자동역학연구를선도하고있음 유럽은독일의 MPQ를중심으로아토초연구를주도해나가고있으며, 영국의 Imperial College, 프랑스의 LOA, 스웨덴의 LUND, 이태리의 INFM 등에서아토초기술관련연구를진행중 - ( 펄스광원기술 2-b, d, 시분해측정기술 2-a, b, c 선도그룹 ) 독일 MPQ의 F. Krausz 박사그룹은초고정밀도로전자의움직임을컨트롤하고, 이를통해단일아토초펄스를발생시키는데성공하였으며, 이를이용한다양한아토초계측연구에성공하였음 - ( 펄스광원기술 2-a, 시분해측정기술 1-b) 영국 Imperial College의 QOLS(Quantum Optics and Laser Science) 연구그룹은이색펄스를이용한고차조화파발생특성조작및펨토초펄스를이용한분자축제어도향상등의연구분야에서성과를도출하였으며, 아토초펄스를이용한초고속분광학등의연구를진행중 - ( 펄스광원기술 2-b) 프랑스 LOA의연구진은최근아토초광등대기술을이용한단일아토초펄스발생기술을개발 - ( 펄스광원기술 1-a, 시분해측정기술 1-c) 스웨덴의 LUND 그룹은고차조화파아토초발생및이를이용한시분해분광학연구를진행하고있으며, 고차조화파를아토초펄스최적화및원자와분자의광이온과정에대한연구를중점적으로수행하고있음 - ( 시분해측정기술 1-c) 네덜란드의 AMOLF 그룹과독일의 MBI 그룹은아토초펄스측정을위한전자속도분포분광기측정기술을선도하고있음 - ( 펄스광원기술 1-a) 이태리의 INFM 연구그룹은고차조화파최적화및아토초펄스발생등의연구를활발히진행하고있음 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 13
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 일본은 RIKEN의 K. Midorikawa 박사의연구진을중심으로고차조화파발생및초고속시분해분광학등의연구를활발히진행하고있으며, 동경대의 H. Sakai 교수및 J. Itatani 교수연구진은분자오비탈재구성연구를활발히진행하고있음 - ( 펄스광원기술 1-a, b) 일본 RIKEN 연구소의연구진은고출력펨토초레이저를사용한고차조화파최적화및아토초펄스발생기술을개발하였으며, 이를기반으로초고속반응, 원자물리연구등을진행중임 - ( 시분해측정기술 1-b) 동경대의 Sakai 교수연구진은분자내전자의양자역학적간섭현상을고차조화파발생기작을통해증명해내었으며, 이와관련된분자오비탈과고차조화파발생의상관관계연구를진행하고있음 - ( 시분해측정기술 1-b) 동경대의 Itatani 교수는 NRC의 Corkum 교수와함께고차조화파를이용한분자오비탈재구성연구를성공시켰으며, 최근동경대로부임하여관련연구를진행하고있음 2.4 아토초과학의국내연구동향 1999년 KAIST 결맞는엑스선연구단이고차조화파광원개발, 절대위상안정화기술, 아토초펄스측정기술개발및아토초측정기술개발등의성과를창출한것을모태로국내아토초과학의발전이시작되었음 - 결맞는엑스선연구단에서배출된인력들은 KAIST, 광주과학기술원고등광기술연구소등에서관련연구를지속하고있음 KAIST 에서는물리과와기계과를중심으로아토초펄스발생기술, 아토초측정 기술및절대위상제어기술등의전반적인제반기술을개발하고있으며, 일부 분야에서는세계적으로도선도적인연구성과를도출함 14 동향브리프 2012-12 호
기술동향 - ( 펄스광원기술 1-a, d 선도그룹, 시분해측정기술 1-c) KAIST 물리과연구진은자체적으로직접잠금방식의절대위상안정화기술을개발하였으며, 최근고차조화파의아토초처프를물질의분산으로보상하여 63아토초펄스열을생성하고, 이를이용한아토초시분해측정및응용연구를활발히수행하여헬륨원자에존재하는전자의광이온화과정을규명함 - ( 펄스광원기술 1-a 선도그룹 ) KAIST 기계과의연구진은표면플라즈몬을이용한 HHG로펨토초레이저로부터직접고반복률극자외선생성에성공하였으나, 최근독일연구팀에서반박논문을발표한바있음 광주과학기술원고등광기술연구소는극초단광양자빔사업을통해페타와트 (10 15 W) 펨토초레이저를개발하고, 이를응용한고출력아토초펄스열개발을진행중임 - ( 펄스광원기술 1-a, b) 최근에는 100TW 펨토초레이저시스템을이용하여 4.9nm (164차) 까지고차조화파차수를증가시키는데성공하였음 출처 : 광주과학기술원고등광기술연구소 [ 그림 9] 극초단광양자빔연구시설의레이저시스템 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 15
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 표준과학연구원에서는광주파수빗을이용한광원자시계 (Optical Atomic Clock) 관련연구를수행중임 POSTECH은독일막스플랑크연구소와 MOU 협약을맺고아토초펄스발생및응용연구를본격적으로시작하였음 - ( 펄스광원기술 1-b) POSTECH의막스플랑크연구소포항분원연구단은 170아토초펄스폭을갖는단일레이저펄스를생성하는데성공하여원자와분자내부전자들의동역학을높은시간정밀도로측정하는데필요한기반기술을확보함 서울대학교의시공간분자동력학연구센터 10) 는분자동력학의시간분해연구, 분자동력학의공간적연구, 시공간분자동력학의이론적연구를주제로펨토초및 아토초기반기술을물리화학적으로적용하는연구를수행하고있음 10) 2007 년한국연구재단의선도연구센터로지정된바있음. 16 동향브리프 2012-12 호
투자동향 3. 투자동향 아토초과학의선도국가는미국과독일이며, 정부주도로기초 응용연구분야에지속적으로지원되고있음 - 아토초과학은주로짧은펄스광원을개발하는기초연구와이것을화학, 나노과학, 생명과학에적용하는응용연구에대한지원이주류이며, 산업화를위한개발연구의비중은적은편 - 주요재원소요요인은펄스광원을발생하기위한시설을구축하는것이며, 고출력극초단레이저시설과 4세대방사광가속기가대표적인예임 - 미국, 유럽, 영국, 일본은 4세대방사광가속기와같이대규모재정지출이수반되는연구시설 장비의경우장기적인로드맵을수립함으로써투자의효율성을제고하고자노력하고있음 아토초과학은대형가속기와같은연구시설과양자광학연구그룹의연구활동으로구분하여투자되고있음 - 고출력극초단레이저시설에대한국제위원회로 ICUIL* 이있음 * ICUIL : The International Committee of Ultra-high Intensity Lasers - 자유전자레이저로안정적인극초단펄스를생성하는 4세대방사광가속기 11) 는펄스의생성뿐아니라, 미시적구조변화를관측하는다양한연구에활용될수있음 - 아토초과학과관련된주요연구그룹으로는독일막스플랑크재단의아토초과학센터, 미국 JILA의 Center for AMO, 캐나다의 JASLAB, 일본의 RIKEN, 영국의 Imperial College, 한국에는고등광기술연구소와막스플랑크한국연구소가있음 11) 실제 4 세대방사광가속기로부터직접생성되는펄스는펨토초수준이며, 아토초펄스는추가적인광학적장치를부가하거나 5 세대급방사광가속기에서구현가능함 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 17
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 3.1 대형연구시설투자 : 고출력극초단레이저시설 OECD Global Science Forum Workshop on Compact High Intensity Short Pulse Laser(2002-2004) 에서는정부와연구계에대하여다음과같은결론을제시및권고하여이후몇년사이에이행된바있음 - 각국정부에대하여 1 레이저개발과응용을위한체계적인지원이필요하며, 2 대형연구시설은최고의성능에서유용하게활용될수있다는점을권고 - 연구계에대하여공동체의조직화과정이강화되어야한다는것을권고함 - 결과적으로 2003년초고출력레이저에대한국제위원회 (ICUIL: The International Committee of Ultra-high Intensity Lasers) 가발족됨 - 이후캐나다, EU, 한국, 미국에서는다음과같이고출력극초단레이저시설이구축되었음 ICUIL에서조사된전세계거대레이저시설은 4세대방사광가속기를포함, 50여개에달하며광주과학기술원고등광기술연구소의극초단광양자빔연구시설은세계최초의펨토초페타와트레이저임 - 레이저펄스폭이 100fs이하인것으로 ICUIL에보고된시설은약 23개 ( 참고 ) 이며, 이연구시설들은응용분야에따라다양하게활용되고있음 - 유럽연합은체코, 헝가리, 루마니아에초대형펨토초레이저시설인극한광기반시설 (Extreme light infrastructure) 을구축하기로하였으며, 구축비용을유럽의 13개국으로부터 4억 8천만유로의투자비와건설완료후연간 5천만유로의운영비를지원받기로계획 12) 됨 12) http://www.eli-hu.hu/what_is_eli 18 동향브리프 2012-12 호
투자동향 3.2 대형연구시설투자 : 4 세대방사광가속기 미국은 2003년 Facilities for the Future Science 에서향후 20년동안과학적중요성과시설구축준비정도에따라우선순위를선정하였고, 이로드맵에따라기존 50GeV 선형가속기를운영하고있는스탠퍼드선형가속기센터에 4세대방사광가속기인 LCLS(Linac Coherent Light Source) 를구축하였음 EU는 2006년연구인프라구조에관한전략포럼 (ESFRI) 13) 에서향후 20년간유럽의연구인프라구조를위한로드맵인 European Roadmap for Research Infrastructures" 를발표하였고, 이것에따라독일입자물리연구소 (DESY) 가설치및운영하고있는대형입자가속기부지내에 4세대방사광가속기인 European X-FEL(Free Electron Laser) 구축을추진중 일본의 제3기과학기술기본계획 (2006~2010) 과 특정첨단대형연구시설의공용촉진에관한법률 에 4세대방사광가속기의구축을포함하고있으며, 이에따라하리마과학공원도시내의 8GeV 3세대방사광가속기시설인 SPring-8 캠퍼스내에 4세대방사광가속기인 SCSS 14) 를구축 영국은 2001년대형연구시설의체계적이고효과적인구축을위하여 Large Facilities Roadmap" 을마련한후지속적으로수정 15) 을하였는데, EU의 4세대방사광가속기인 European X-FEL 구축에참여하기로결정된사항이수정본에포함되었음 13) European Strategy Forum for Research Infrastructure 14) SPring-8 Compact Self Amplified Spontaneous Emission Source 15) 2005 년, 2007 년, 2008 년 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 19
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 우리나라는 과학기술기본계획 에서 대형연구시설 장비구축로드맵 을 수립하기로계획되었으나, 그결과가 4 세대방사광가속기에대한예비타당성 조사완료및예산배정이전까지발표되지않아선진국과차이가있음 [ 표 7] 4 세대방사광가속기프로젝트비교 구분 LCLS Euro X-FEL SCSS PAL-XFEL 지역미국스탠퍼드독일 DESY 일본하리마과학공원도시 한국포항가속기연구소 사업기간 2005 ~ 2008 2007 ~ 2014 2007 ~ 2010 2011 ~ 2014 빔에너지 (GeV) 14.3 10 ~ 20 2 ~ 8 10 구축예산 615 Million $ 9.8 Billion Euro 37 Billion Yen 4,000억원 방사광파장 (nm) 1.5 ~ 0.15 6 ~ 0.085 6 ~ 0.08 0.1 선형가속기길이 (km) 1.0 2.1 0.4 0.7 총길이 (km) 1.6 3.4 0.7 0.9 가속기형태 Cu Cavity (2.856GHz) 초전도 Cavity (1.2GHz) Cu Cavity (5.7GHz) Cu Cavity (2.856GHz) 펄스반복률 (Hz) 120 10 60 60 방사광첨두출력 (GW) 8 ~ 17 24 ~ 135 4.5 6 Undulator 형태 Out Vacuum Out Vacuum In Vacuum In Vacuum 삽입장치 주기 (nm) 30 38 15 22.3 gap(mm) 6.8 10 3.5 5.3 길이 (m) 113 133 90 90 출처 : 한국개발연구원, 2010 미국스탠퍼드선형가속기센터에 4세대방사광가속기인 LCLS-I에서얻어진광원을다양한분야에부합하게활용하기위해빔라인을여러개로나누어활용할수있는 LCLS-II를구축중 - LCLS-I은미국의 4세대방사광가속기의표준광원이라는의미가있으나다양한연구를동시에수행할수없고 100fs수준의펄스폭을갖는한계가있어, LCLS-II에서이러한점을개선할예정임 - 2010년에는 LCLS-II의임무필요성, 2011년에는 LCLS-II를위한다양한대안중에서선택된시스템구성안과추정예산에대하여승인이완료되었음 - 2019년준공및운영가동시작을목표로 2013년착공될예정임 20 동향브리프 2012-12 호
투자동향 [ 표 8] LCLS-I 과 LCLS-II 의비교 구분 단위 LCLS-I LCLS-II 사업기간 년 2005~2008 2010~2019 사업비 백만 $ 615 350~500 빔에너지 GeV 5-15 2-15 Macro Pulse 길이 nsec N/A 350 Macro Pulse 반복률 Hz 120 120 전체빔라인의추출수 개 1 4 Macro Pulse 빔라인당 Micro Pulse 빔라인수 개 1 10 동시사용가능한 Micro Pulse의수 개 1 40 Micro Pulse의간격 nsec N/A 8.784 Micro Pulse의세기 nc 1 1 Micro Pulse 다발길이 μm 20 20 Micro Pulse 복사율 (emittance) πmm mrad 1.5 1.5 자발방출 (Spontaneous Radiation) 빔의수 개 0 16 자유전자레이저빔의수 개 2 16 파장범위 A 1.5 ~ 15 0.5 ~ 77 출처 : LCLS II Design Study Report, 2000 출처 : LCLS II Design Study Report, 2000 [ 그림 10] LCLS-II 의개념도 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 21
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 3.3 연구그룹에대한외국정부의투자 다른과학기술분야와마찬가지로아토초과학에서가장적극적으로투자가 이루어지는국가는 EU 와미국이며, EU 는극한광기반시설을중심으로차세대펨토초레이저및아토초물리기술개발을지원하고있으며, 미국의아토초과학은에너지부의과학국과국가과학재단을중심으로지원되고있음 - EU 는극한광기반시설 (ELI) 을헝가리, 체코, 루마니아에건설하기로결정하고, 펨토초 초강력레이저기반미래기술인아토초물리, 상대론적고에너지물리, 광응용핵물리 연구를추진중 - 미국에너지부의과학국에가장많은예산이배정되어있으나, 연구그룹에대한 지원보다는 4 세대방사광가속기와같은대형연구시설의개발 운영 활용에대한 예산에집중된편 - 스탠퍼드선형가속기센터의 LCLS, 로렌스버클리국립연구소, 브룩하벤국립연구소의 고출력극초단레이저시설이이에해당 미국국립연구재단 (NSF) 은 1984년이후지속적으로펨토초, 아토초과학관련연구를지원해왔으며, 현재까지과제수와투자규모모두지속적으로증가하는추세임 - 2012년현재 200여개의과제에대하여약 2,550만달러가지원되었음 출처 : http://www.nsf.gov/, 저자자체분석 [ 그림 11] 국립연구재단 (NSF) 의초고속측정과학투자현황 (2012 년까지 ) 22 동향브리프 2012-12 호
투자동향 대다수의과제는 4년이하연평균과제비가평균 10만달러수준이나, 일부연구센터는연평균 200만달러수준으로 6년이상지원이이루어짐 - JILA의 Center for AMO는 2012년까지미국국립연구재단으로부터가장많은지원 ( 약 4천만달러 ) 을받았음 - 미시간대학교 Science & Technology Center는 1991년부터 2002년까지약 2천 6백만달러를지원받아펨토초과학분야에기반을마련, 아토초과학의선두그룹중하나인 CUOS로이어지고있음 - 플로리다대 CREOL 연구단 16) 은 Army Research Office, 에너지부 (DOE), 국립연구재단 (NSF) 으로부터약 420만달러, 산업계로부터약 280만달러등총 765만달러규모의지원을받고있으며, AT&T, 록히드마틴등과공동연구과제진행중 - 2010년 W. M. Keck 재단은캘리포니아버클리대학의연구단에생체기관재생과아토초레이저를사용한초고속과학을연구하는과제에 1백만달러의지원을결정함 [ 표 9] 국립연구재단 (NSF) 으로부터초고속측정과학연구지원을받은상위 10 개기관 기관명 개수 12년까지총지원금액 ( 달러 ) 1 University of Colorado at Boulder 28 42,691,832 2 University of Michigan Ann Arbor 17 33,584,569 3 University of California-Berkeley 41 15,536,276 4 California Institute of Technology 9 12,575,382 5 Massachusetts Institute of Technology 24 9,456,925 6 Cornell University 24 7,461,869 7 University of Texas at Austin 18 6,550,073 8 CUNY City College 6 5,947,029 9 University of Arizona 23 5,924,607 10 Ohio State University Research Foundation 12 5,834,558 출처 : http://www.nsf.gov/, 저자자체분석 16) http://www.creol.ucf.edu/about/annualreport2011.pdf Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 23
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 [ 표 10] 국립연구재단 (NSF) 에서지원한초고속측정과학관련과제분석 수행기간 ( 년 ) 과제수 연간평균과제비 ( 십만달러 ) 평균 표준편차 1 101 1.04 1.15 2 92 1.06 0.78 3 280 1.08 0.60 4 202 0.94 0.52 5 81 1.59 3.64 6 27 2.15 5.21 7 3 0.67 0.33 11 1 23.43 0.00 출처 : http://www.nsf.gov/, 저자자체분석 독일, 캐나다등의아토초과학의선도그룹은미국 JILA의 Center for AMO나미시간대학교의 CUOS와유사한규모로연구에대한지속적인지원이이루어지고있음 - 독일막스플랑크양자광학연구소 (MPQ) 의아토초물리연구실은막스플랑크재단, 뮌헨고등광기술센터, 유럽연합으로부터지속적인지원을받아장기적으로경쟁력을확보하고있음 - JASLAB은캐나다국립연구회의 Steacie Institute for Molecular Sciences와오타와대학교의공동연구소로, 캐나다혁신재단 (Canada Foundation for Innovation) 으로부터 2009년 4백 3십만달러, 2010년 1백 6십만달러규모의연구비를지원받기로결정됨 - 스웨덴의룬트레이저센터는유럽연합, 스웨덴에너지성, 크누트-앨리스발렌베르크재단등정부와민간의 11곳으로부터재정지원을받고있음 - 영국 Imperial College의 QOLS 17) 연구그룹은 EPSRC 18) 로부터아토초과학연구에총 864만파운드규모 ( 연간약 100만파운드 ) 의연구비지원을받고있음 - 일본의이화학연구소 (RIKEN) 는아토초과학연구등극한광공학연구에연간 7억 5,800만엔규모의지원을받고있음 17) Quantum Optics & Laser Science 18) Engineering & Physical Research Council 24 동향브리프 2012-12 호
투자동향 3.4 연구그룹에대한우리나라의투자 아토초과학관련연구그룹에대한우리나라의투자규모를미국 NSF와비교하면, 과제수는 10분의 1, 연평균투자비는 3분의 1에달하며, 연구과제의대부분은기초단계에집중되어있음 - 아토초과학분야는미국에비해서투자의절대적크기는적은편이나, 국내다른분야에비해서는상대적으로집중된투자가이루어지고있음 - 소규모연구과제를여러개진행하기보다, 몇개의연구그룹에대하여선택적으로집중하여지원한다는특징을가짐 - 거의모든연구과제가기초단계에머물러있어, 단기간에가시적인성과창출을기대하기어려운편 - 그러므로, 향후아토초분야의성과창출을위해중 장기적인관점에서아토초과학분야의지원을위한로드맵수립이요구됨 [ 표 11] 초고속측정과학연구과제국내투자현황분석 (2001 년 ~ 2011 년 ) 기초연구응용연구개발연구기타합계 년도 과제수 투자비 ( 억원 ) 과제수 투자비 ( 억원 ) 과제수 투자비 ( 억원 ) 과제수 투자비 ( 억원 ) 과제수 투자비 ( 억원 ) 2001 1 2.7 1 6.0 1 3.4 0 0.0 3 12.1 2002 2 8.8 1 5.7 0 0.0 0 0.0 3 14.5 2003 4 9.7 1 5.3 1 1.6 0 0.0 6 16.6 2004 5 21.2 0 0.0 1 0.7 0 0.0 6 21.9 2005 6 18.1 2 11.6 2 3.0 0 0.0 10 32.6 2006 5 12.8 0 0.0 0 0.0 0 0.0 5 12.8 2007 12 16.6 0 0.0 0 0.0 0 0.0 12 16.6 2008 16 20.3 0 0.0 0 0.0 0 0.0 16 20.3 2009 12 41.3 0 0.0 1 1.7 0 0.0 13 42.9 2010 16 126.6 0 0.0 0 0.0 0 0.0 16 126.6 2011 14 71.8 0 0.0 1 0.7 2 8.0 17 80.5 총합계 93 349.7 5 28.5 7 11.1 2 8.0 107 397.3 출처 : http://www.ntis.go.kr/, 저자자체분석 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 25
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 미국과비교할때대규모과제나소규모과제에대한지원은적은편이나, 연 5 억원내지 10 억원과제비를 5 년이상지원하는경우는비슷한수준임 - 중규모과제는선도국과유사하나, 선두권인 JILA, MPQ, JASLAB 수준은아님 [ 표 12] 초고속측정과학연구과제의지원기간에따른연평균과제비현황 지원기간 ( 년 ) 과제수 ( 개 ) 연평균과제비 평균 ( 억원 ) 표준편차 ( 억원 ) 1 24 2.03 0.21 2 7 0.87 0.07 3 38 1.27 0.11 5 23 6.53 1.08 6 2 0.71 0.01 7 1 9.05 0.00 9 12 11.14 2.24 출처 : http://www.ntis.go.kr/, 저자자체분석 아토초과학관련국내대표적인연구그룹으로는 KAIST 결맞는엑스선연구단, 광주과학기술원 (GIST) APRI, 막스플랑크한국포스텍 (POSTEC) 연구소, 초강력레이저과학연구단 ( 예정 ) 이있음 - KAIST의결맞는엑스선연구단은 99년도창의적연구진흥사업으로부터시작하여, 08년도약연구과제의지원을받아국내아토초연구의시초를마련함 - GIST 고등광기술연구소 (APRI) 는 2001년부터현재까지유관연구를추진중으로, 초강력레이저실험실의극초단광양자빔시설구축사업 ( 03~ 11) 이대표적 217억원 (2001년 ~2011년까지 APRI 투자액 ), 640억원 ( 극초단광양자빔시설 ) - 막스플랑크한국 / 포스텍연구소 19) 산하아토초연구센터에서관련연구에착수 한국 : 299억원 (2011년 ~2014년, 국비 : 174억원, 지방비 : 75억원, POSTECH 50억원 ) 독일 : 310만유로 - 광주과학기술원초강력레이저과학연구단이기초과학연구원연구단으로선정되며국내아토초과학관련분야에리더쉽을발휘할것으로기대됨 19) 현재아토초연구센터와복합물질연구센터가 partner group 으로운영되고있으며, 11 년예산 20 억원중 10 억원이장비구축 ( 아토초 5 억원, 복합물질 5 억원 ) 에투자됨 26 동향브리프 2012-12 호
전략분석 4. 전략분석 4.1 연구개발및발전단계분석 1. 기초단계 2. 응용단계 3. 개발단계 4. 산업화단계 a. 펄스광원기술 a. NT/ 화학 / 물질과학 a. 실험장비 a. 과학기술서비스 b. 시분해측정기술 b. 공정장비 c. 초정밀측정기술 b. BT/ 생명과학 c. 신물질 b. 제조업 d. 물성제어기술 d. 통신장비 c. 정보서비스업 e. 양자정보기반기술 c. IT/ 양자정보 e. 정보처리장치 d. 운수업 [ 그림 12] 아토초과학의공급사슬 ( 기초 ) 아토초과학은주로기초단계의주요논제를중심으로발전하였고, 현재대다수의연구도이단계에집중되어있음 - 주로펄스광원및그측정기술을중심으로체계적으로발전하였으며, 물성제어나양자정보기반기술은상대적으로미성숙한상태 ( 응용 ) 기초단계에진행된연구결과물에대한 Killer Application 20) 을발견하기위한연구가부분적으로진행되고있음 - 나노과학, 재료과학, 생명과학등과의융합을통하여기존과학에새로운돌파구를제시하고, 아토초과학의 Killer Application을발굴하는단계임 ( 개발 ) 현재확실한 Killer Application 을발견하지못하였고, 시설 장비가고가인 동시에구성이복잡하므로실험장비의개발만진행되는상태 ( 산업화 ) 확실한 Killer Application 을발견하지못하여, 산업화에한계가존재 20) 시장에잠재적인수요는존재하였으나, 특정기술을통하지않고서는이를만족하는해결방법이존재하지않는응용사례를의미함 ( 예. 컴퓨터, 인터넷, 스마트폰등 ) Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 27
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 4.2 SWOT 분석 강점 약점 S 1, S 2, S 3 W 1, W 2 기회 O 1, O 2 위협 T 1, T 2 SO ST WO WT [ 그림 13] 아토초과학의 SWOT 분석매트릭스 내부요인분석 : 강점분석 - (S1) 세계선도그룹과견줄수있는시설 장비 ( 극초단광양자빔, 4세대가속기 ) - (S2) 선도그룹의기술을추격할수준으로양성된아토초과학전문연구인력 - (S3) 국내아토초과학활용분야 ( 나노, 재료, 바이오등 ) 의활발한연구활동 내부요인분석 : 약점분석 - (W1) Killer Application 의부족및기초단계에집중된연구활동 - (W2) 국제적영향력이있는국내과학자의부족 환경분석 : 기회요인분석 - (O1) DOE 의 Office of Science 의 Grand Challenge 등중요성이강조됨 - (O2) 국제적선도그룹과의공식적인교두보가마련됨 환경분석 : 위협요인분석 - (T1) 신뢰성있고, 단순하고, 경제적인것을원하는기술수용자 - (T2) 취약한국내기반산업여건 28 동향브리프 2012-12 호
전략분석 SWOT분석결과아토초과학분야의성과창출을촉진하고, 기초연구역량을고도화하기위하여, 1 연구중단없이연속적연구수행을위한지원체계마련, 2 새로운과학분야의개척및선도를위한유관분야와의융합연구를활성화, 3 선별적으로산업화를위한개발연구수행, 4 국제적선도그룹과의교두보활용, 5 유망분야로의선택과집중이라는 5가지전략이도출됨 - (SO1) 선도그룹의기술을추격할수준으로양성된국내전문연구인력이국제적영향력있는연구자로성장할수있도록, 연속적인연구수행을지원하는체계마련 - (SO2) 한국의과학자가기존과학의돌파구를마련하고새로운과학분야를선도할수있도록, 극초단광양자빔이나 4세대가속기를활용한국내외유관전문가 ( 아토초과학, 나노과학, 재료과학, 생명과학등 ) 의융합연구활성화 - (ST) 기술수용자의요구사항인높은신뢰성을갖는경제적인시스템을단순하게구현할수있는구체적인개발연구아이템을도출 - (WO) 국제적선도그룹과의교두보를활용하여, 아토초과학에서해결하여야할주요한기초연구논제를공유하고 Killer Application을발굴할수있는유망한응용연구를수행. - (WT) 국내제반여건이취약한분야에대한투자를지양하고, 상대적으로여건이좋은분야에우선순위를부여하여투자 Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 29
원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 5. 결론 아토초과학은 21세기초반에급부상하였고, 21세기인류가도전하여야할중대한과학적도전과제임 1999년 KAIST 결맞는엑스선연구단으로시작된국내아토초과학관련연구는현재선도그룹을추격할수있을정도로발전한상태이며, 정부에서도선도국과경쟁할수있을정도로지원에힘쓰고있음그러나아토초과학과관련된연구는기초단계에집중되어가시적성과창출은요원한현실이므로, 성과지향적 R&D투자를위해유망한응용 개발분야의과제를탐색하여 Killer Application을발굴하는것이중요함아토초과학의 Killer Application은나노과학, 재료과학, 생명과학등과의융합연구를통해도출될것으로전망되며, 기존과학의한계돌파를위한전기 ( 轉機 ) 를마련해줄것으로기대됨이미구축된극초단광양자빔이나향후구축될 4세대방사광가속기와같은연구시설은국내관련응용연구에활력을불러일으키는것과동시에관련된과학기술분야에서우리나라가선도해갈수있는기회를제공해줄것으로기대됨아토초과학분야에육성된인력에대한지속적인지원으로향후국제적영향력및리더쉽을갖춘기초과학연구자배출을위한다각적인노력이필요함다만, 관련연구시설 장비의투자규모는갈수록증가될것이라예상되므로 1 국내제반여건을고려한투자우선순위설정과 2 세계적인선도그룹과의공동투자로위험을완화하고경제적인재정집행이이루어질수있도록노력할필요가있음 30 동향브리프 2012-12 호
결론 참고. 100fs 이하전세계고출력극초단레이저시설 기관명구분설명 LOA LBNL Brookhaven National Laboratory FOCUS University of Michigan LLC RRCAT, Indore ASTRA, Rutherford Appleton Laboratory APRI (GIST) CUOS, University of Michigan Max Born Institute ASTRA, Rutherford Appleton Laboratory INRS Universited Quebec RRCAT, Indore 성능 2.5J, 25fs, 100TW, 10Hz 작동원리 Wake field acceleration, Ion acceleration 연구주제 고속의생물및분자반응, 비선형광학 성능 0.5J, 45fs, 1.5x10 19 W/cm2 작동원리 Wake field acceleration 연구주제 PET, 레이저가속기, X선원 성능 50mJ, 100fs 작동원리 Wake field acceleration Combination with 200MeV Linac 연구주제 레이저전자원, X선원 성능 100TW, 12fs 작동원리 Wake field acceleration 연구주제 레이저전자원 성능 40TW,30fs,1J 작동원리 Wake field acceleration 연구주제 레이저가속기 성능 100TW + 7TW, 25-40fs 작동원리 Laser wakefield acceleration 연구주제 레이저가속기 성능 225mJ, 60fs 작동원리 Wake field acceleration, ion acceleration 연구주제 레이저가속기, 고에너지양성자생성, 거대스크린디스플레이 성능 0.75J, 25TW, 30fs, 10Hz 작동원리 Wake field acceleration 연구주제 레이저가속기 성능 10TW, 100fs 작동원리 Interaction between high electric field and matter 연구주제 고에너지물리, 의료용 ( 안구치료 ) 성능 100TW, 35fs, 10Hz 작동원리 Interaction between high electric field and matter 연구주제 고에너지물리, 자동차공정 성능 40fs, 500mJ 작동원리 Interaction between high electric field and matter 연구주제 폭발감지, 분자결합강화, 분자이온의고속처리 성능 2TW, 500fs and 10TW, 60fs 작동원리 Interaction between high electric field and matter 연구주제 Laser plasma interaction 성능 100TW + 20TW, 25-40fs, Ti-sapphire 작동원리 Interaction of intense light with matter 연구주제 X선방출, 거대자기장, cluster ionization Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 31
원자와전자의움직임을관측 제어하는, 아토초과학 기관명구분설명 TIFR, Mumbai Politecnico di Milano Shanghai Institute of Optic and Fine Mechanics EPP, University of Alberta University of Vienna EPP, University of Alberta CHESS, Cornell University Brookhaven National Laboratory LBL ERLSYN, Erlangen University 성능작동원리연구주제성능작동원리연구주제성능작동원리연구주제성능작동원리연구주제성능연구주제성능연구주제성능연구주제성능작동원리연구주제성능연구주제성능연구주제 100TW + 20TW, 25-40 fs, Ti-sapphire Interaction of intense light with matter X 선방출, 거대자기장, cluster ionization <10fs, wavelength tunable Ultara short pulse generation, Parametric amplification, Pulse compression with hollow fiber 고속분자분광학, 아토초결맞는 X 선생성, 레이저물질공정 23TW, 33.9fs Optical parametric chirped pulse amplification 양자광학, 고출력고속레이저물리학 5fs Pulse compression with gas capillary High order harmonics generation in water window region, x-ray microscopy ~ Attoseccond 양자제어, 시분해물질관측및제어, 레이저화학 100fs, 305nm 극초단펄스레이저와물질의상호작용 7GeV, 100mA, 100fs, 1.3GHz X-ray research 100fs,106~108 photons/pulse Super conducting linac 고속구조동력학, 고속공정관측, 현미경, 결맞은 X 선산란구조생물학 10-100fs, 10kHz, 1-10keV 고속 X 선과학, pump and probe experiment 3.5GeV, 200mA, 1.6mrad, 100fs 화학, 생물학, 결정학, 재료과학 출처 : http://www.icuil.org/events-a-activities/facilities.html 32 동향브리프 2012-12 호
참고문헌 6. 참고문헌 물리학과첨단기술, 펨토초에서아토초까지, 2005년 11월호 p.11 물리학과첨단기술, 포스텍레이저과학연구실, 2010년 10월호 p.34 한국광학회, 국가광과학기술로드맵 2011 한국개발연구원, 4세대(X선자유전자레이저 ) 방사광가속기구축사업예비타당성조사보고서, 2010 Review of Modern Physics, Vol. 81, pp. 163-234 U.S. DOE, Budget Request to Congress: FY 2004 ~ 2013 U.S. DOE, Directing Matter and Energy: Five Challenges for Science and the Imagination, 2007년 http://www.epsrc.ac.uk http://www.extreme-light-infrastructure.eu http://www.icuil.org http://www.nsf.gov http://rndgate.ntis.go.kr Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning 33
과학기술및연구개발사업동향브리프 2012-12 원자와전자의움직임을관측 제어하는아토초과학 I 저자 I 김형택, 광주과학기술원고등광기술연구소초강력레이저연구실선임연구원 062)715-4712, htkim@gist.ac.kr 안상진, KISTEP R&D타당성분석단공공기술조사팀부연구위원 02)589-2254, sein@kistep.re.kr 본동향브리프의내용은필자의개인적견해이며, KISTEP 의공식적인견해가아님을밝힙니다.