The Status and the Future of the PLS-II

Seung-Hwan SHIN, Hee-Jin KIM, Yeon-Gil KIM and Jong-Hyun KIM

Through construction and operation over the last 25 years, the Pohang light source (PLS) and the PLS-II (upgrade of PLS) have played a key role in developments in the vacuum and semiconductor industries, civil engineering, surveying, and even in the building technology of Korea. The PLS has actively contributed to developments in chemical engineering and bio-technology, which directly affect industry and people’s life. In this article, the status of the PLS-II will be described, and the future of the PLS-II will be introduced.

서 론

국내 유일의 포항 3세대 방사광가속기는 정부와 포스코가 1,500억 원을 지원하고 포스텍이 주도하여 1994년 준공한 범국가적인 공동연구시설이며 국내외 이용자들에게 연구 목적으로 제공되고 있다. 1,000억 원의 정부 지원으로 단기간(2009~2011년)에 PLS-II 성능향상을 끝내고 2012년 시험 가동에 성공한 이래, 현재까지 빔 제공률 90% 이상의 안정적인 운영 및 이용자 실험 지원을 해오고 있다.

2020년은 ‘COVID-19’로 인하여 전 세계 가속기 시설들이 최소한으로 운영되었던 가운데, 포항가속기연구소는 정부의 ‘사회적 거리두기’ 격상 시 이용자가 직접 실험을 진행하는 ‘대면실험’은 즉시 중단하되, ‘Mail-in Service’를 운영하였다. ‘Mail-in Service’란 이용자가 현장에 오지 않고도 방사광 실험을 할 수 있는 실험방식으로서, 택배를 통하여 시료를 접수하고 빔라인 책임자가 직접 실험을 진행하여 얻은 실험데이터를 이용자에게 이메일로 전송하는 방식이다.

한편, 수 년간 포항가속기연구소를 활용한 연구성과의 질적 수준은 꾸준히 증가하는 경향을 보여왔으며, 2020년의 경우 그 증가세가 매우 두드러졌다. 2020년 포항 방사광가속기를 활용한 SCI(E) 논문의 영향력 평가지표인 평균 Impact Factor는 9.1(3·4세대 통합)로서, 전년도 수치인 7.6(3·4세대 통합)과도 확연히 비교된다.

이와 같은 괄목할 만한 증가세는 이용자의 연구수요를 빠르게 파악하고 이에 부합하는 실험환경을 제공하기 위한 포항 방사광가속기의 부단한 노력의 산물이라고 할 수 있을 것인데, 2020년은 수 년간 추진되어온 시분해 X-선 산란 빔라인 1기 건설 및 신약개발을 위한 FBDD(Fragment-Based Drug Development, 단편 화합물 기반 신약 개발법) 기법 전용 빔라인 1기 개선이 완료되어, 보다 다양하고 질높은 실험환경을 제공할 수 있는 발판이 마련되었다.

더욱이 세계적으로는 MAX-IV와 같은 새로운 세대의 원형 방사광 가속기의 등장과 국내적으로는 충청북도 청주 인근에 건설 추진 중인 다목적 원형 방사광가속기로 인해 방사광 가속기에 대한 관심이 한층 높아졌다. 이 시점에서 이미 소개된 적 있는 (2009년 9월 물리학과 첨단기술 특집원고) PLS-II 가속장치와 방사광 응용 연구에서 10여 년간 이루어진 발전 현황과 향후 계획 등을 소개함으로 국내의 방사광 가속기의 미래에 대한 비전을 보여주고자 한다.

이용자 지원 성과

1995년도 첫 이용자 서비스를 시작한 후로 이용자 지원 과제수는 꾸준히 증가세를 보여 왔으며 최근에는 연간 1,600건 이상의 과제지원을 하고 있다. 2011년에는 일시적인 큰 감소가 있었으나, 이는 PLS-II 성능향상을 위한 장치 해체 설치로 인한 이용자 서비스 중단으로 인한 것이었으며 그럼에도 불구하고, 국내 이용자의 해외 방사광가속기 실험 연계를 통한 이용자 서비스를 수백 건 이상 지원하였다. 그리고, 2020년에는 COVID-19와 Mail-in Service 전환 등으로 지원 과제수가 일시 저조하였다.

Fig. 1. PAL publication statistics.

성과면에서는 양적 질적 증가가 지속적으로 이루어지고 있으며 PLS-II 성능향상 후 이러한 양적 질적 증가추세가 두드러진다. PLS-II로 성능향상이 이루어지면서 보다 높은 성능을 발휘하기 위한 삽입장치 빔라인의 증가와 이러한 삽입장치 원격 조정 기반 첨단 실험, 일정 전류 유지를 위한 Top-up 운전 및 250~400 mA급의 고전류 운전을 통한 고휘도 빔 제공 등이 이루어졌으며 그 결과 높은 이용자 실적으로 이어지고 있다[그림 1]. 최근 주목할 만한 성과로는 네이처 자매지에 게재된 코로나 19 항체치료제 개발1)(셀트리온) 지원과 네이처지에 게재된 반도체 소자 소형화 기술 개발2)(삼성전자) 지원이 있다. 이외에도 많은 주요 성과들이 [그림 2]에서와 같이 도출되고 있다. 산업지원 분야에도 이용자의 산업체 재원 활용 및 산업체 과제를 지원하고 있으며, 산업체의 직접적인 요청에 따른 연간 100~200건의 방사광 융합분석 서비스를 수행하고 있다.

Fig. 2. PLS-II representative publications.

PLS-II 가속장치

이미 언급하였듯 가속장치의 성능향상은 바로 이용자의 실적으로 직결되는데 본 섹션에서는 PLS-II 가속장치의 현황과 향후 계획 등을 소개하기로 한다. PLS-II 가속장치는 크게 3 GeV 선형가속기와 3 GeV 저장링으로 구성되어 있으며 2012년 성능향상 사업3)4)을 통해 선형가속기는 주로 2.5 GeV에서 3 GeV로 에너지 증가가 되었으며 저장링은 새로운 방사광 시설로 거듭났다.

Fig. 3. PLS-II Linear accelerator. Tunnel (left) and Gallery (right).

[Table 1] Specifications of PLS-II Linear accelerator..

Fig. 4. PLS-II lattice function.

PLS에서 2.5 GeV로 시작한 S-band(2,856 MHz)의 선형가속기는 PLS-II 성능향상사업에서 3 GeV 선형가속기로 에너지 업그레이드와 안정성 개선을 통해 현재는 98% 이상의 가용도와 Top-up 운전을 위한 안정적인 입사빔을 제공하고 있다. 입사기 타입으로 부스터와 선형가속기가 있는데 1990년대 PLS 사업 시 가속기의 확장성을 고려하여 선형가속기를 입사기로 선택하였으며, 이러한 선형가속기에서의 운영경험이 PAL-XFEL의 성공에 원동력이 되었다. [그림 3]과 [표 1]에서 PLS-II 선형가속기5)의 현재 상황을 정리하여 보여준다. 향후 계획은 성능향상사업(2019~2011)에서 재원과 시간 등의 한계로 인하여 개선하지 못한 여러 노후화 장비를 교체하여 좀 더 안정적인 운영을 할 수 있도록 하는 것이 선형가속기에서의 중요한 계획이다. 예를 들면, 장치 유지를 위한 선형가속기 냉각시스템(LCW)은 여전히 30년 넘게 사용한 장비로 교체가 시급히 필요한 상황이다.

PLS-II 저장링은 총 12개의 셀로 구성되어 있으며 한 셀에 2개의 Bending magnet이 설치되는 Double bend structure 이다. PLS-II의 특징은 Low emittance를 유지하면서 전체 둘레에 42%가 직선 구간으로 삽입장치 설치에 활용될 수 있어 3세대 저장링의 특징을 잘 살린 저장링이며 이 부분에서는 세계 최고 수준이다. [그림 5]는 PLS-II 저장링 내부를 보여주는데 파란색 장치들이 모두 이용자에게 제공하는 방사광 발생 장치들이다. 그림에서 보듯 7 m마다 이용자에 제공하는 방사광 발생장치가 설치되어 있어 가용도가 아주 높다. 그림에서 PLS-II가 개발한 삽입장치 중의 하나인 내진공 언듈레이터(In-vacuum undulator)6)가 보여지는데 주기 20 mm, 최소 간격 6 mm까지 조정 가능한 PLS-II의 대표적 X-선 발생장치이다. [표 2]에서는 현재의 PLS-II 저장링의 주요 사양이 소개되었다.

[Table 2] Specifications of PLS-II Storage ring.

Fig. 5. PLS-II Storage ring tunnel (left) and In-vacuum undulator as X-ray source (right).

PLS-II 저장링을 안정적으로 운영하기 위해서 사용되는 장치들이 [그림 6]에 요약되어 있다. 안정적 고전류 운전을 위한 Bunch by bunch feedback,7) 전자빔의 안정화를 위한 slow orbit feedback과 fast orbit feedback 그리고 광자빔의 위치 안정화를 위한 PBPM feedback system,8) 등이 안정적으로 운영되어 이용자에게 양질의 빔을 제공하고 있다. 최근 운전 상황으로 [그림 7]에서 빔전류 상황과 빔라인에 제공되는 광자빔의 위치 안정도를 보여준다. SRF cavity 모듈 1기의 고장/수리 진행으로 인하여 현재는 250 mA 빔전류 운전을 하고 있다. 그럼에도 불구하고, 2021년도의 3차 이용자 빔제공은 무결점 운전을 달성하였고 광자빔의 위치 안정도도 10일간 rms 1 mm 이내를 유지하였다. 그리고, 2021년도 여름 정비 기간의 SRF cavity module(초전도 가속공동 또는 초전도 고주파공급장치)의 수리 완료 및 재설치 진행을 통하여 하반기부터는 400 mA의 고전류 운전이 가능할 예정이다.

Fig. 6. Instrumentation in storage ring.

Fig. 7. Beam current during user service (Top) and photon beam position during user service (Bottom).

Fig. 8. PLS-II Road map (Draft).

최근 충청 지역에 건설 추진 중인 다목적 방사광 가속기가 예비 타당성 조사에서 타당성을 인정받아 PLS-II의 향후 개선 방향에도 관심이 높다. 단기적으로는 PLS-II 운전 성능의 극대화가 있는데 PLS-II 성능향상 사업에서 교체하지 못했던 여러 노후화 시설과 장비를 교체하는 것과 SRF system의 보강이 있다. SRF system 보강은 부분적으로 전기나 부대시설의 이중화를 구현하여 정전 등 환경에 취약한 시스템에서 좀 더 안정적인 시스템으로 향상하는 계획을 말한다. 이외에 최고 수준의 빔안정화 구현, 시분해 실험 지원을 위한 높은 싱글 번치 전류 구현 및 이를 활용한 하이브리드 운전 등도 계획 중에 있으며, 주기적인 삽입장치 필드의 튜닝을 통해 시간에 따라 떨어지는 필드 성능을 유지하는 작업도 지속적으로 실행될 예정이다. 중기적 PLS-II 가속 장치 개선 방안으로는 향상된 광원의 개발을 통하여 보다 높은 휘도 특성의 빔을 이용자에게 제공하는 것을 추진하고 있으며, 이를 위하여 초전도 언듈레이터 R&D와 Super-bend 연구 등이 계획, 진행될 예정이다. 또한 장기적으로 보다 높은 성능향상을 위하여 관련 분야에 대한 선행 연구 및 내부 프로젝트 진행과 빔라인 고도화, 그리고 실험홀 극 안정화 등을 계획하고 있어, 가속기 기술 발전 및 여러 장치 수명 등을 고려할 때 약 2030년 전후 진행이 요구되는 PLS-II에서 PLS-III로의 성능향상사업과 함께 4세대 저장링으로의 도약을 대비하고 있다. 전체 개선 방향은 [그림 8]에 소개되었다.

Fig. 9. PLS-II Beamline map.

PLS-II 빔라인

1995년 2기의 빔라인으로 방사광을 활용한 이용자 지원을 시작한 이래 매년 1~2기씩 신규 빔라인이 건설되었으며, 가장 최근에는 대기압 광전자 분광학(AP-XPS)과 시분해 엑스선(TR-XRS) 빔라인이 추가되어 포항가속기연구소에서 수행할 수 있는 연구의 영역을 확장하였다. 지금까지 구축된 36개의 빔라인은 생명과학, 재료과학, 화학, 지구과학, 환경과학, 물리학, 기계분야, 산업응용, 의약분야 등 각종 연구 분야에 적합하도록 개별 빔라인의 책임자 주도하에 실험 장치의 설계와 구축이 진행되어 왔다. 따라서 모든 빔라인은 유사한 기법(예: X-선 소각 산란)을 활용하는 실험 장치라고 하더라도 서로 다른 개성과 색깔을 가지고 있어서 적합한 시료의 종류 혹은 연구 분야가 달라진다. 예를 들면 같은 소각 산란 현상을 측정하는 SAXS-I(3C) 빔라인과 SAXS-II(4C) 빔라인은 서로 다른 분야에 특화되어 있어서 용액 산란 실험은 4C 빔라인에서 박막 산란 실험은 3C 빔라인에서 주로 수행된다. 즉, [그림 9]에 보여진 PLS-II의 36개 빔라인은 모두 서로 다른 개성을 가진 각 분야에 특화된 실험장치가 된다.

Fig. 10. PLS-II beamline distribution along temporal and spatial axis.

PLS-II를 통해서 수행된 광원의 질적 향상은 빔라인에서 수행되는 연구와 빔라인의 기술 발전을 견인하였다. 전체 빔라인의 60% 이상은 삽입장치를 광원으로 가지고 있기 때문에 이용자에게 물질과 X-선의 상호 작용을 정밀하게 분석할 수 있는 강력한 세기의 빔을 제공할 수 있게 되었다. 뿐만 아니라, 저장링 전자 뭉치(electron bunch)의 간격 조절을 통해서 방사광의 펄스 시간 대역을 최대 수십 피코초까지 확보할 수 있었으며, 이는 최근에 건설된 시분해 엑스선(TR-XRS) 빔라인 건설의 기반이 되었다. PLS-II에서 빔라인 광원의 세기 증가 및 안정도의 향상은 빔라인의 시간과 공간 분해능의 향상을 가져왔으며, 각 빔라인에서 수행되는 연구에서 필요로 하는 시간/공간 분해능을 추구하게 되었다. [그림 10]에서는 시간과 공간 분해능에 따른 PLS-II의 몇 개 빔라인의 분포를 보여주는데 1C 빔라인(시분해 엑스선, TR-XRS)은 시분해 영역에서, 10A 빔라인(연엑스선 나노현미경, SXN)은 공간 분해능에서 최첨단 연구가 수행 중에 있다. 이러한 시분해 또는 나노빔 집속을 통한 첨단 연구 분야를 위한 성능을 확보하기 위해서 가속장치부와 빔라인은 활발한 공동연구를 진행하고 있으며, 방사광원의 시분해 개선 연구 및 나노 집속빔의 에러 민감도와 광원 간의 상관관계에 대해서 상호 교류를 통해서 지속적인 연구가 수행 중이다.

Fig. 11. Inside view of 5C beamline hutch.

PLS-II의 많은 빔라인이 다양한 연구분야의 필요성을 충족시키기 위해서 건설되었으며 운영되고 있지만, 상당수의 빔라인은 십수 년 혹은 이십 년 전 기획, 건설되었다. 건설 당시에는 최신의 실험 장치들로 구성되어 있었지만, 오랜 시간이 지나면서 당시 설치한 여러 실험 장치들은 노후화가 진행되고, 따라서 이용자들이 원하는 최신의 연구 분석 실험 및 연구 경향을 충족시킬 수 없는 경우가 발생한다. 빔라인의 분석 장치 및 실험 장치는 다양하게 구성되는데, 비용 측면에서는 적게는 수천만 원에서부터 많게는 수십억 원의 분석 장치로 구성된다. 예를 들면, X-선 회절과 산란 분야에서 활용 가능한 적정 수준의 2차원 검출기 1기 비용이 십억 원 내외이다. PLS-I에서부터 PLS-II에 이르기까지 정부와 연구소의 관심은 최근까지 신규 빔라인의 건설에 집중되어 왔다. 하지만 기존의 건설 운영 중인 빔라인에 재원을 투입해서 성능을 향상시키거나, 새로운 연구 경향과 분석 기법을 기존 빔라인에 도입, 접목함으로써 빔라인 운영의 효율화를 추구하는 정책이 필요하다. 최근 이루어진 대표적인 정부 지원 성능향상 사업으로는 앞서 언급한 5C 빔라인의 신약개발 검색 설비의 구축을 예로 들 수 있다[그림 11]. 이 사업을 통해서 기존 단백질 결정학 빔라인의 성능향상뿐만 아니라 방사광을 활용한 화합물 탐색설비 구축을 통해서 단백질 구조연구가 실질적인 신약개발로 연결될 수 있도록 하였다. 5C 빔라인의 사례에서 증명된 바와 같이 빔라인 건설 비용의 절반 미만의 투자를 통해서 현재 운영 중인 빔라인의 활용도를 더욱 향상시키고, 높은 효용성을 지닌 최첨단 실험 장치로 탈바꿈시킬 수 있다. 포항가속기연구소에서는 여러 빔라인의 성능 향상 혹은 효율적 개선 방안을 기획하고, 예산 확보를 위해서 노력하고 있다.

맺음말

본 원고에서는 범국가적 공동 연구시설로 우리나라 기초과학 선진화에 이바지하면서 이를 넘어 응용과학 및 산업기술분야로 더욱 기여를 확장하고 있는 최첨단 연구 시설인 PLS-II의 현황과 미래를 살펴보았다. PLS 건설을 통해 우리나라의 방사광가속기 구축 및 이용 저변을 확대하였다면, PLS-II로의 성능향상사업을 통해 주목할 만한 성장 발전을 이루었다. 이는 꾸준히 증가하는 이용자 수요뿐만 아니라 연구성과의 양적 질적 수준의 괄목할 만한 증가로 나타나고 있다. 포항가속기연구소는 이러한 국가적 지원이 필수적인 대형 연구시설의 성공적인 건설 및 운영을 통해 국가 과학기술 발전을 위한 견인차 및 공동연구시설의 역할과 주요 핵심장치 국산화를 통한 국가 과학기술 발전에 기여해오고 있으며, 이를 인정받아 광복 70주년 과학기술 대표성과로 선정되기도 하는 등 국가연구시설로서의 중요성도 인정받고 있다. 향후에도 현재 운영 중인 PLS-II의 지속적 투자와 성능 개선 사업을 통하여 국가주요 과학시설로서 계속적인 성과 창출과 과학기술성과 창출에 이바지할 수 있도록 관심이 필요할 것이다. 이러한 방사광가속기의 성공적인 운영과 그 성과는 앞서 언급한 충청 지역의 다목적 방사광 가속기 구축에 대한 건설적인 논의와 필요성 및 수요 당위성을 창출하기에 이르렀으며, 향후 이의 성공적인 건설, 운영을 통하여 국내적으로는 양 기관의 상호보완을 통한 거대 과학시설의 협력 강화 및 기술력 확보와 과학기술 활용이 요구되고, 국제적으로는 방사광가속기 활용 연구의 선도를 통한 과학 주권 선양에 이르기를 기대하는 바이다.