원자 의 움직임 을 가장 빠르 고 밝 게 포착 하 는 ‘ 전자 카메라 ’ 개발 < 보도 자료 < 소통 마당 - 한국 원자력 연구원 대표 홈페이지 
 10 원자 의 움직임 을 가장 빠르 고 밝 게 포착 하 는 ‘ 전자 카메라 ’ 개발 
 - 원자력 연 , 세계 에서 가장 우수 한 초고속 전자 회절 장치 개발 성공 - 
 □ 한국 원자력 연구원 ( 원장 박원석 ) 이 세계 에서 원자 의 운동 을 가장 잘 포착 하 는 전자 카메라 를 개발 했 다고 4 월 9 일 밝혔 다 . 이 장치 는 기존 보다 원자 의 운동 을 3 배 이상 빠르 면서 100 배 이상 밝 게 관측 할 수 있 어서 향후 물성 연구 에 다양 하 게 활용 될 것 으로 기대 된다 . 
 ㅇ 이번 성과 는 광학 분야 최고 학술지 인 네이처 포토 닉스 ( Nature Photonics ) 에 4 월 호 에 게재 됐 다 . 특히 , 세계 적 인 석학 인 미국 UCLA 의 무스 메치 ( Pietro Muscumeci ) 교수 는 이번 호 해석 기고 를 통해 “ 자연 을 더 깊 게 들여다볼 수 있 는 아주 빠른 새로운 눈 을 가지 게 되 었 다 ” 는 평 을 남겨 화제 가 됐 다 . 
 사진 1 . 한국 원자력 연구원 에서 개발 한 초고속 전자 회절 장치 
 □ 한국 원자력 연구원 의 정영욱 박사 팀 이 개발 한 전자 카메라 는 ‘ 초 고속 전자 회절 장치 ’ 라 부르 는 장비 로 , 32 펨토 초 ( 10 - 15 초 ) 의 시간 분해능 을 갖추 고 있 어 세계 에서 원자 와 분자 의 운동 을 가장 빠르 게 포착 할 수 있 다 . 
 ㅇ 원자 의 움직임 은 보통 펨토 초 ( 10 - 15 초 , 천 조 분 의 일 초 ) 에서 피코 초 ( 10 - 12 초 , 일 조 분 의 일 초 ) 단위 로 매우 짧 은 순간 동안 일어나 는데 초고속 전자 회절 장치 는 이러 한 반응 을 포착 할 수 있 다 . 
 ㅇ 얼마나 짧 은 순간 에 특정 현상 을 측정 할 수 있 는지 를 나타내 는 성능 지표 를 ‘ 시간 분해능 ’ 이 라 부르 며 , 시간 분해능 이 우수 하 면 더 짧 은 시간 단위 에서 나타나 는 원자 의 운동 을 포착 할 수 있 다 . 일반 카메라 의 경우 빠르 게 움직이 는 물체 를 촬영 하 기 위해서 셔터 를 더 짧 은 순간 에 만 여닫 는 것 과 같 다 . 
 ㅇ 또한 단순히 정지 영상 으로 물질 의 분자 구조 만 측정 이 가능 한 전자 현미경 과 달리 초고속 전자 회절 장치 는 분자 속 원자 의 움직임 을 포착 할 수 있 어 , 분자 구조 의 운동 까지 측정 할 수 있 다 . 
 ㅇ 기존 에 가장 우수 하 다고 알려진 미국 스탠퍼드 선형 가속기 연구소 ( SLAC , Stanford Linear Accelerator Center ) 가 보유 한 초고속 전자 회절 장치 가 100 펨토 초의 시간 분해능 을 가지 는 것 에 비하 면 , 이번 에 연구원 에서 개발 한 장치 는 이 보다 세 배 더 빠른 원자 의 움직임 을 잡 을 수 있 다 . 
 사진 2 . 초고속 전자 회절 장치 제어 실 에서 한국 원자력 연구원 연구 진 의 실험 장면 
 □ 지금 까지 이 기술 분야 는 원자 의 움직임 을 더 빠르 게 측정 할수록 밝기 가 점점 더 어두워 지 는 문제 가 있 었 다 . 그러나 원자력 연구원 에서 개발 한 초고속 전자 회절 장치 는 미국 SLAC 장치 보다 약 100 배 더 밝 게 관측 할 수 있 어 , 분자 구조 의 변화 를 더욱 선명 하 게 잡아낼 수 있 다 . 
 □ 원자력 연구원 이 개발 한 전자 회절 장치 가 속도 와 밝기 에서 의 우수 한 성능 을 갖 는 것 은 단순 하 지만 기발 한 ‘ 90 도 휨 ’ 형태 의 독창 적 인 구조 덕분 이 다 . 
 ㅇ 전자 회절 장치 는 찰나 의 시간 동안 발생 하 는 원자 의 움직임 을 촬영 하 기 위해 분자 에 자극 을 주 는 레이저 펄스 와 자극 에 따른 반응 을 포착 하 는 전자 빔 을 쏜다 . 이렇게 촬영 한 이미지 를 이 어 붙이 면 분자 의 변화 과정 을 나타내 는 영상 을 얻 을 수 있 다 . 
 ㅇ 전자 는 전기 적 특성 상 서로 강하 게 밀치 기 때문 에 아주 작 은 공간 에 모으 는 것 이 매우 어렵 다 . 기존 의 모든 연구 진 은 전자 빔 발생 후 시료 에 도달 하 는 시간 을 줄여서 전자 빔 이 덜 퍼지 게 하 는 방법 을 선택 했 고 , 그 결과 로 나온 형태 가 ‘ 직선형 구조 ’ 의 전자 회절 장치 이 다 . 이러 한 구조 에서 는 많 은 양 의 전자 를 쏘 면 전자 를 모으 기 어렵 고 적 은 양 의 전자 를 쏘 면 밝기 가 약해 지 는 문제 가 있 었 다 . 
 ㅇ 그러나 , 원자력 연구원 은 전자 들 이 발생 한 후 90 도 를 돌 아 나와서 시료 에 도달 하 는 ‘ 90 도 휨 ’ 구조 를 고안 해 이러 한 문제 를 해결 했 다 . 처음 에 는 비교 적 많 은 양 의 전자 를 발생 시키 고 , 90 도 를 돌 아 나오 는 과정 에 는 달리 기 트랙 과 같이 여러 개 의 레인 을 통해 나오 도록 해 원자 들 이 서로 밀쳐 내 지 않 도록 했 다 . 그리고 최종 적 으로 시료 에 도달 하 는 아주 짧 은 순간 에 만 모두 모이 도록 했 다 . 그 결과 속도 와 밝기 문제 를 동시 에 해결 할 수 있 었 을 뿐 만 아니 라 레이저 펄스 와 전자 빔 이 분자 에 도달 하 는 시간 의 불규칙성 을 의미 하 는 ‘ 시간 흔들림 ( jitter ) ’ 문제 도 원천 적 으로 상쇄 시킬 수 있 었 다 . 
 사진 3 . 초고속 전자 회절 장치 로 촬영 한 분자 구조 변화 모습 ( 왼쪽 ) 및 분자 구조 변화 에 따른 촬영 모형 ( 오른쪽 ) 
 □ 연구 진 은 이번 장비 의 개발 로 과학자 들 이 꿈꿔왔 던 아토 초 ( 10 - 18 초 ) 대역 의 시간 분해능 까지 도달 이 가능 할 것 으로 전망 하 고 있 다 . 향후 초고속 전자 회절 기술 을 활용 해 지금 은 간접 적 으로 측정 하 고 있 는 원자 내 전자 의 움직임 도 직접 측정 할 수 있 을 것 으로 기대 하 고 있 다 . 
 ㅇ 이 를 위해 넘어서 야 할 가장 큰 장애물 중 의 하나 가 분자 자극 을 주 는 레이저 펄스 와 분자 구조 를 측정 하 는 전자 빔 사이 의 시간 을 제어 하 는 문제 이 다 . 두 빔 이 시료 에 도달 하 는 시간 이 정확 하 고 일정 해야 하 는데 , 실제로 는 미세 한 주변 환경 의 변화 로 매번 불 규칙 하 게 차이 가 발생 한다 . 
 ㅇ 원자력 연구원 은 이러 한 시간 흔들림 ( jitter ) 을 원천 적 으로 제거 하 는 기술 을 처음 으로 구현 했으며 , 아 토초 대역 의 문턱 인 수 펨토 초 까지 낮추 는 데 성공 했 다 . 측정 기술 의 정밀도 를 더 높이 면 아토 초 대역 에 진입 하 는 것 이 가능 할 것 으로 기대 하 고 있 다 . 
 사진 4 . 초고속 전자 회절 장치 모식도 
 □ 한국 원자력 연구원 이기태 박사 는 “ 이번 연구 성과 로 초고속 분자 구조 변화 를 포착 하 는 것 이 가능 해졌 다 ” 며 , “ 빠르 면 2021 년 부터 해당 장치 를 많 은 연구자 가 사용 할 수 있 도록 서비스 를 제공 해 국내 관련 분야 의 연구 를 발전 시키 는 데 기여 하 겠 다 ” 고 밝혔 다 . 
 사진 5 . 게 재 논문 
 # 전자 카메라 # 초 고속 전자 회절 장치 # 네이처 포토 닉스 
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