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지난호





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특집

빛처럼 빠른 입자, 우리 손으로 만들다

경주 양성자가속기 운영 현황과 업그레이드 계획

작성자 : 김유종·문명국·이재상 ㅣ 등록일 : 2021-06-02 ㅣ 조회수 : 314 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.30.013

저자약력

김유종 박사는 2000년 포항공과대학교에서 가속기물리학으로 이학박사학위를 취득하였으며, 포항가속기연구소, 일본 SPring-8, 독일 DESY, 미국 Duke University FEL Lab, 스위스 PSI, 미국 Indiana University IUCF, 미국 Jefferson 국립가속기연구소(JLab), 미국 아이다호주립대학교에서 방사광가속기, 산업용/의료용/기초과학용 가속기, 엑스선 자유전자레이저(XFEL) 설계/구축/운영 등을 연구하는 연구원, 교수로 재직하다가, 2014년에 해외핵심인재 유치과학자로 한국원자력연구원에 입사하였다. 현재 양성자과학연구단 단장으로 양성자가속기 성능확장 및 UST의 가속기 및 핵융합 물리공학과 전임교수로 가속기분야 인재양성을 해오고 있다. (yjkim@kaeri.re.kr)

문명국 박사는 2001년 경북대학교에서 물리학 이학박사학위를 취득했고, 2002년부터 한국원자력연구원 연구용 원자로인 하나로에서 중성자 발생 및 응용 관련 연구를 수행하였다. 2021년 1월부터 양성자과학연구단 가속기개발연구부 부장으로 재직 중이며, 가속기 기반 중성자원 연구를 수행하고 있다. (moonmk@kaeri.re.kr)

이재상 박사는 2002년 성균관대학교에서 금속재료학으로 공학박사학위를 취득했으며, 2005년부터 한국원자력연구원 양성자과학연구단 가속기이용연구부에서 부장으로 재직 중이다. 양성자빔/이온빔을 이용한 소재, 반도체, 동위원소 관련 연구를 수행하고 있다. (jslee8@kaeri.re.kr)

100-MeV KOMAC Proton Accelerator at Gyeongju: Operational Status and Upgrade Plan

Yujong KIM, Myungkook MOON and Jae-Sang LEE

In 2012, the Korea Multi-purpose Accelerator Complex (KOMAC) facility with a total construction budget of about $300M was constructed at Gyeongju in Korea. It has a 75 m long 100 MeV proton accelerator, which can supply the highest average beam current of 1.6 mA. Since 2013, the KOMAC has been operating the 100 MeV proton accelerator for the official user beam service with two multi-purpose beamlines, one at 20 MeV and the other at 100 MeV. In 2015, the first new high-flux beamline was constructed for a medical isotope production, and the second new beamline was added in 2016 to provide a low-flux proton beam irradiation service mainly for research on the effects of radiation on semiconductors, spacecraft parts, and medical/biological samples. By the help of recent increased usages of Korean semiconductor manufacturing companies, such as SAMSUNG and SK hynix, the competition rate for requesting beam time of the proton accelerator was increased as high as 3.54:1 in 2020. To support various research fields with good user satisfaction, we have been preparing to increase the beam energy of the proton accelerator from 100 MeV to at least 500 MeV. In this article, we describe the construction history, current operational status, and various applications of the KOMAC proton accelerator and its future upgrade plan.

들어가며

본 특집호에는 국내 운영 중인 대형가속기들의 운영 현황, 응용 분야 그리고 향후 업그레이드 계획들을 소개하고 있다. 첫 번째 원고는 최근 삼성과 SK하이닉스 등 반도체 기업체들이 반도체 우주/대기 방사선 영향 평가로 이용이 급증하고 있는 경주 양성자가속기의 최근 운영 현황과 준비 중인 업그레이드 계획에 대하여, 두 번째 원고는 포항 3세대 원형방사광가속기인 PLS-II의 운영 현황과 업그레이드 계획, 그리고 세 번째 원고는 이용자서비스 시작 이후 향상된 포항 4세대 선형방사광가속기인 PAL-XFEL의 응용분야와 업그레이드 계획에 대하여 서술하였다.

최근 다양한 가속기들이 국내에 구축되어 운영 중이며 중이온가속기는 현재 구축 중이고, 오창 다목적 방사광가속기는 향후 구축 예정에 있다. 일반 국민들에게는 모두 동일한 가속기로 보일 수도 있지만, 가속기마다 가속되는 입자도 다르고 가속된 후 응용에 사용되는 입자들도 다른, 각각 고유한 응용들을 가진 전혀 다른 가속기들이다. 본 특집호를 접한 후, 다양한 대형가속기의 필요성을 이해할 수 있게 되길 바란다.

양성자와 양성자가속기

Fig. 1. Proton in hydrogen atom and  acceleration of protons in electric field.
Fig. 1. Proton in hydrogen atom and acceleration of protons in electric field.

수소원자(H)는 [그림 1]처럼 원자핵 주위에 1개의 전자가 회전하고 있는 원자구조를 이루고 있으며, 수소원자에 고전압을 걸어서 전자를 제거하면 원자핵만 남게 되는데, 이 수소원자핵 혹은 수소원자의 양이온을 양성자(Proton, H+)라고 한다. 양성자는 양의 전하를 띠고 있으므로 가속관 내에서 전기장을 걸어주면 음극방향으로 이동하면서 속도가 높아지는데 이처럼 전기장을 이용하여 양성자를 빛의 속도 가까이 가속시켜 주는 장치가 양성자가속기이다.

양성자는 그 속도에 따라 물질의 분자나 원자를 낱개로 떼어 내거나, 물질 속에 박히거나, 원소와의 반응 등으로 물질의 특성을 변화시키거나 새로운 물질을 생성하기도 한다.

구축 목적과 구축 과정

Fig. 2. Aerial view of KOMAC facility.Fig. 2. Aerial view of KOMAC facility.

경주 100 MeV 양성자가속기와 140‒200 keV 저에너지 이온빔시설은 입자빔(양성자, 이온, 중성자, 의료용 동위원소, 전자 등) 이용 연구개발 플랫폼을 제공하여, 미래 원천기술 개발과 입자빔 기반 산업체 육성에 기여하겠다는 목적으로, 2002년부터 2012년까지 10년 6개월에 걸쳐 총사업비 3,143억 원을 투입하여 경주 건천읍 소재 440,000 m2 부지에 구축된 국가대형연구시설이다.

Fig. 3. 100 MeV KOMAC proton accelerator.Fig. 3. 100 MeV KOMAC proton accelerator.

양성자가속기는 반도체, 자동차, 극한환경소재, 우주/항공 부품, 백신/신약, 의료/바이오/생명공학, 유전자 조작, 농산물 저장, 등 다양한 첨단과학기술 분야의 중요 국가과학기술연구시설로 활용되어지고 있으며, 21세기 원천기술 개발을 통한 산업경쟁력 제고, 과학기술 전문인력 양성, 미래 지향형 고부가가치 산업창출 및 실용화, 그리고 국민 공공복지 증진 및 삶의 질 향상에 기여해 오고 있다.

2012년에는 양성자빔 이용 실험을 통하여 수행한 연구개발 성과의 고도화와 지속적이고 체계적인 양성자가속기 이용 지원을 목적으로 약 222명의 회원으로 구성된 양성자가속기이용자협의회가 출범하였다.

2013년 하반기부터 양성자빔 이용자 서비스를 시작했으며, [그림 4]처럼 20 MeV 범용 빔라인(TR23)과 100 MeV 범용 빔라인(TR103)을 운영하여 이용자에게 다양한 양성자빔 서비스를 제공해 오고 있다.

Fig. 4. Layout of 100 MeV KOMAC proton accelerator and its beamlines.
Fig. 4. Layout of 100 MeV KOMAC proton accelerator and its beamlines.

2015년에는 저마늄-68(68Ge), 구리-67(67Cu)과 같은 암진단 및 암치료용 의료용 동위원소를 생산할 수 있는 RI 생산전용 100 MeV 고선량 빔라인(TR101)을 구축하였으며, 이후 동위원소 생산시설을 구축하여 2021년에 동위원소 생산허가를 취득하였다. 또한, 2016년에는 100 MeV 저선량 빔라인(TR102)을 구축하여 반도체와 우주부품의 우주/대기 방사선 영향 평가와 같은 다양한 연구분야에 적용하고 있다. 이와 더불어 최근 중성자에 대한 이용자 요구가 강하여 2021년부터 양성자가속기 빔덤프를 이용한 중성자 전용 빔라인 구축을 시작하였다.

이러한 빔라인을 기반으로 반도체, 우주/항공, 바이오/생명공학, 물리학, 의학, 재료과학 등 다양한 연구 분야의 이용자들에게 빔서비스를 제공해 오고 있으며, 빔서비스 품질향상을 위해 2015년에 ISO 9001:2015를 획득하여 2016년 이후 이를 기반으로 빔서비스를 제공하여 이용자의 만족도가 90% 이상으로 크게 향상되었다.

2018년도에는 1단계 구축계획 마지막 건물인 본관동이 완공되어 종합준공식을 개최하였으며, 이후 2019년도에는 양성자가속기연구센터에서 양성자과학연구단으로 발돋움하면서 부급에서 본부급으로 승격하였다. 2021년도에는 가속기 관련 산업체 창업을 지원하기 위하여 창업보육센터를 구축 중이며, 신경주역사와 연결되는 4차선 진입로 공사가 완공될 예정이다.

가속기 Layout 및 사양

경주 100 MeV 양성자가속기는 그림 4에 나와 있는 것처럼 양성자빔을 만들어 내는 이온원인 IS (Ion Source), LEBT (Low Energy Beam Transport), RFQ (Radio Frequency Quadrupole), 20 MeV DTL (Drift Tube Linac), MEBT (Medium Energy Beam Transport), 100 MeV DTL 등의 여러 가속장치로 구성되어 있다. 이와 함께 양성자빔 궤도를 따라 빔진단을 위한 빔전류 측정용 CT (Current Transformer), 빔위치 측정용 BPM (Beam Position Monitor), 빔손실 측정용 BLM (Beam Loss Monitor), 빔전하량 측정용 Faraday Cup 등이 설치되어 있고, 빔궤도를 조정하기 위한 Steerer Magnet, 빔의 집속용 QM (Quadrupole Magnet), 빔의 진행 방향을 휘게 하는 BM (Bending Magnet) 등이 설치되어 있다.

이온원(IS)은 양성자가속기에 입자를 생성하여 공급하는 양성자원으로 중성 수소기체에 전기에너지를 가하여 방전을 일으키고 이를 통해 생성된 수소 플라즈마에서 50 keV 양성자만을 인출하여 LEBT 단에 공급할 수 있도록 구성되어 있으며 1 ms의 장펄스 양성자빔을 공급할 수 있는 마이크로파 이온원과 펄스폭 1 μs 이하의 단펄스 양성자빔을 공급할 수 있는 EBIS (Electron Beam Ion Source) 이온원으로 구성되어 있다. 2개 이온원은 한 조의 이온원이 동작할 경우, 다른 조의 이온원은 동작하지 않도록 인터락이 설정되어 있다. 대부분의 빔 조사에는 수십 μs에서 수 ms까지 양성자를 공급할 수 있는 장펄스 이온원이 사용되고 있다. 

RFQ는 LEBT에서 입사한 50 keV 양성자빔을 3 MeV까지 가속시키는 장치이다. RFQ의 내부는 4개의 베인으로 구성되며, 주파수가 350 MHz인 고주파(RF)를 사용하여 빔을 가속 및 집속시키도록 구성하고 있다.

[Table 1] RFQ design parameters.

Table 1. Phases for the dissemination of the kilogram.
Parameter
Value
Unit
RF Frequency
350
MHz
Input Energy
50keV
Output Energy
3MeV
Peak Current
20mA
Input Trans. Emittance
0.2μm


DTL은 양성자빔을 20 MeV에서 100 MeV로 가속시키기 위한 장치이다. 저에너지인 20 MeV까지의 DTL Beam Duty Factor는 24%로 설계를 하였고, 20 MeV 이후의 DTL의 Beam Duty Factor는 8%로 설계하였다. 20 MeV 빔인출과 빔정합을 위한 20 MeV DTL 이후에 MEBT을 추가하였다. DTL 내부에는 빔의 집속을 위한 사극전자석이 설치되어 있어서 빔을 가속시키면서 집속되도록 하였다.

양성자가속기 고주파시스템은 그 운전 방식에 따라 두 가지 그룹으로 나누어진다. 첫째는 20 MeV 고주파시스템으로 고주파 운전 Duty Factor는 24%(1.5 ms, 120 Hz)이며, 두 번째는 100 MeV 고주파시스템으로 고주파 운전 Duty Factor는 9%(1.5 ms, 60 Hz)이고 양성자빔 Duty Factor는 8%(1.33 ms, 60 Hz)로 운전하게 되어 있다. 20 MeV DTL 고주파 시스템은 1 MW 연속타입 출력 클라이스트론 하나로 DTL 4개의 탱크에 고주파를 공급하도록 되어 있으며, 20 MeV에서 100 MeV까지 가속하는 DTL의 고주파시스템은 하나의 1.6 MW 펄스타입 클라이스트론으로 하나의 DTL 탱크에 고주파를 공급하게 되어 있으며, 두 대의 클라이스트론을 하나의 모듈레이터로 운전하도록 설계되었다.

그림 4에 나와 있는 것처럼 양성자가속기에는 총 6개의 빔라인(20 MeV 1개, 100 MeV 5개)을 구축하도록 설계하였으며, 현재 외부 이용자 서비스를 하고 있는 빔라인은 20 MeV 1개(TR23)와 100 MeV 3개(TR101, TR102, TR103)가 있다. 6개의 빔라인에 대한 응용분야와 운영조건은 표 2에 요약되어 있다. 표적실은 양성자가속장치에서 인출된 20 MeV, 100 MeV의 양성자빔을 이용자의 시료에 알맞게 공급하기 위한 시설로서 이용 목적에 따라 20 MeV 양성자빔 이용을 위한 5개의 표적실, 100 MeV 양성자빔을 이용하기 위한 5개의 표적실로 총 10개의 표적실이 존재한다. 100 MeV 양성자빔 표적실은 에너지를 33 MeV에서 100 MeV까지 이용자가 원하는 에너지로 가변할 수 있다. 각 표적실에 공급되는 양성자빔은 그 이용 목적에 따라 빔에너지, 빔전류를 선택할 수 있으며 양성자빔을 이용자의 수요에 맞게 성형가공하기 위하여 집속용 사극자석과 빔균일도 조정을 위한 팔극자석 등을 사용한다.

[Table 2] Beamline parameters and applications.

Table 2. Beamline parameters and applications.
Beamline
Applications
Max. Average Current (mA)
Max. Beamsize (mm)
TR23재료/에너지/환경0.1300
TR101의료용 동위원소0.3100
TR102저선량/반도체< 0.001300
TR103재료/에너지/환경0.1300
TR104기초과학 (물리,화학,우주)0.01100
TR105테스트 빔라인0.01100


표적실은 양성자가속장치에서 인출된 20 MeV, 100 MeV의 양성자빔을 이용자의 시료에 공급해 주는 장소이며, 이용 목적에 따라 20 MeV 양성자빔 이용을 위한 5개의 표적실, 100 MeV 양성자빔을 이용하기 위한 5개의 표적실로 총 10개의 표적실이 존재한다. 각 표적실에 공급되는 양성자빔은 이용 목적에 따라 빔에너지, 빔전류를 선택할 수 있으며 양성자빔을 이용자의 수요에 맞게 성형가공하기 위하여 빔라인의 집속용 사극자석(Quadrupole Magnet)과 빔균일도 조정을 위한 팔극자석(Octupole Magnet) 등을 사용한다.

가속기 운영 현황

Fig. 5. Annual operational time and operational rate of KOMAC proton accelerator.Fig. 5. Annual operational time and operational rate of KOMAC proton accelerator.

2020년 10월 기준, 양성자가속기 총누적 운전시간은 22,686시간에 도달하였고, 가속기 가동률은 95.8%에 도달하였다. 이처럼 세계 최고 수준의 양성자가속기 운영 가동률을 보여주고 있어서 매우 안정적인 양성자빔 이용자 서비스가 가능하다.

[그림 5]에 나와 있는 것처럼, 최근 5년간 양성자가속기 평균 연간 운영시간은 3,143시간 정도이며 평균 연간 가동률은 95.6% 정도이다. 외부 이용자 빔서비스는 연간 25주, 가속기 특성시험은 연간 8주, 가속기 유지보수는 연간 19주로 할당하여 운영하고 있다. 양성자가속기가 항상 일정한 성능을 유지하고, 외부 이용자들에게 안정적인 빔을 제공하기 위하여 이온원, 고주파, 모듈레이터 등 핵심 장비에 대한 테스트 스탠드를 구축하여 운영하고 있다. 이러한 선제적 유지보수에 기반한 장비유지보수 및 예비품 확보는 가속기 운영 중 관련 부품 또는 장비에 문제가 생겼을 때, 수 시간 이내에 수리가 가능하게 하여, 이용자 빔이용시간 손실을 최소화하는데 큰 도움을 준다.

제공하는 양성자빔 품질향상 및 유지를 위해 다양한 종류의 표적실 빔진단시스템을 구축하여 운영하고 있다. 특히 표적실에 제공하는 빔전류와 빔프로파일을 실시간으로 모니터링할 수 있는 빔진단시스템을 구축하였고, 전류측정장치(Current Integrator)를 이용하여 조사량 측정 정확도를 0.1 Gy 단위로 조절할 수 있도록 향상시켰다. 또한 표적실에서 가속기제어시스템과 연동장치를 구축하여 표적실에서 이용자들이 원하는 양성자빔 조건을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있도록 하였다.

빔라인 및 주요 응용 분야, 이용자 현황

양성자과학연구단에서는 그림 4와 [그림 6]에 나와 있고 [표 2]에 요약된 것과 같이 0.3 mA의 높은 평균전류와 100 MeV의 높은 양성자빔에너지가 제공가능한 고선량 TR101 빔라인을 사용하여 p-n 혹은 p-x 반응을 통해 암진단 및 암치료를 위한 의료용 동위원소를 생산하고 있다. TR101 빔라인을 이용하여 양성자과학연구단에서는 67Cu, 68Ge 및 82Sr와 같은 여러 의료용 방사선 동위원소를 동시에 생산할 수 있다. 68Ge과 82Sr는 PET 진단용 동위원소 및 교정선원으로, 67Cu의 경우에는 PET 진단과 암치료(림프종, 대장암 등)를 동시에 할 수 있는 의료용 동위원소로 활용할 계획이다. 이외에도 100 MeV 양성자가속기는 PET-MRI 조영제에 사용되는 52Fe를 생산할 수 있다.

Fig. 6. TR101 beamline for the medical isotope production.
Fig. 6. TR101 beamline for the medical isotope production.
Fig. 7. TR102 beamline for the low flux proton beam irradiation.
Fig. 7. TR102 beamline for the low flux proton beam irradiation.

또한 양성자과학연구단은 2017년부터 반도체, 우주부품, 검출기, 방사선 육종 관련 이용자들을 지원하기 위하여 저선량 양성자빔 조사용 TR102 빔라인을 운영해 오고 있다. TR102 빔라인은 최대 평균 전류는 약 8 nA이고, 빔균일도 ±5%이며, 최대 조사면적은 100 mm\(\times\)100 mm, 펄스당 양성자수는 104~108 p/cm2의 범위로 제어가능하게 설계되어 있다. [그림 7]은 TR102 표적실과 준비실에 대한 개략도와 실제 사진이다.

많은 이용자가 100 MeV 저선량 빔라인인 TR102를 이용하여 반도체/전자장비의 우주/대기 방사선 영향평가, 생물/의학 응용 및 방사선 검출기를 포함하는 연구 분야에 적용하고 있다.

인공위성 혹은 우주왕복선이 지구를 떠날 때 인공위성 혹은 우주왕복선의 전자장비나 반도체는 태양이나 외부 은하에서 오는 우주방사선(=고에너지 양성자)에 의하여 [그림 8]처럼 오동작(Soft Error)이 발생할 수 있기에, 이런 우주방사선 환경 속에서 반도체나 전자장비가 오동작을 일으키지 않고 정상 작동하는지 미리 테스트를 하여야 한다.1)

Fig. 8. Impact of galactic and solar comic rays on soft errors at semiconductors and electronic devices.[1]
Fig. 8. Impact of galactic and solar comic rays on soft errors at semiconductors and electronic devices.1)
Fig. 9. Concept of CNR treatment.Fig. 9. Concept of CNR treatment.

전자장비나 반도체에 미치는 우주방사선 효과에는 총이온선량(Total Ionizing Dose, TID)효과, 변위손상(Displacement Damage, DD)효과, 그리고 단일이벤트효과(Single Event Effects, SEE)라는 세 가지 종류가 있다.2) 이 중 TID효과나 DD효과의 경우, 양성자빔뿐만이 아니라 감마선 등의 기타 방사선으로 영향평가가 가능하다. 특히 최근에 주목받는 무거운 이온이 반도체를 통과할 때 이온화 트랙을 생성하여 p-n 접합층에서의 전하 집적에 의해 전자장치가 오작동을 일으키는 단일이벤트효과(SEE)는 양성자, 중성자, 중이온 등으로 영향평가가 가능하기에 국내 반도체 제조 대기업들은 TR102 빔라인을 이용하여 반도체/전자장비의 SEE효과 연구를 최근 수행해 오고 있다.

또한 TR102 빔라인의 저선량 양성자빔은 생물/의학 응용 분야에도 유용하게 이용되고 있다. [그림 9]처럼 양성자빔이 중간 또는 높은 원자번호(Z)를 가진 나노입자를 쬐이면, 나노입자는 X선 광자와 전자를 생성하며, 이를 CNR(쿨롱 나노 라디에이터) 효과라고 한다. 양성자빔 조사는 CNR 효과를 통해 혈전 용해의 50%를 제거하여 치매를 치료하는 기술로 활용될 수 있다.3) 또 다른 예는 양성자빔을 사용하여 유방암 치료에 사용한다. 정상적인 유방암 세포에 비해 양성자빔의 조사를 받은 암세포는 증식률이 현저히 감소한다.4)

[그림 10]처럼, 초기 양성자가속기 이용자 서비스가 시작된 무렵엔 양성자가속기 빔타임 신청 경쟁률이 낮았지만, 최근 삼성, SK하이닉스 등 국내 반도체 관련 대기업들과 우주/항공부품을 개발하는 산학연 관련 기관들의 양성자가속기 이용이 급증하여 2020년 하반기 양성자가속기 빔타임 신청 경쟁률은 일수 기준 3.54:1로 매우 높아졌다. 이에 대응하고자 양성자가속기 운영시간을 2교대로 늘려 운영하는 안을 추진하고 있다(현재 운영시간: 9~18시, 미래 2교대 운영시간: 7~22시).

Fig. 10. Competition rate of beam time requestion of KOMAC proton accelerator.Fig. 10. Competition rate of beam time requestion of KOMAC proton accelerator.

업그레이드 계획

그림 10처럼, 최근 5년간 국내 반도체 관련 기업체들의 양성자가속기를 이용한 반도체 분야 산업체 빔이용 증가로 양성자가속기 빔이용 신청 경쟁률이 계속하여 증가하는 추세이다. 또한 [그림 11]처럼, 중국, 미국 등 이동통신 선진국들은 미래자동차(자율주행차, 플라잉카, 드론택시 등)에 사용되는 핵심기술인 6세대 이동통신(6G)을 고도 700~2,000 km상의 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 초소형 인공위성을 이용하여 개발하려고 치열한 기술전쟁을 벌이고 있다. 최근 중국은 6세대 이동통신 테스트용 저궤도 인공위성을 2020년 11월에 세계 최초로 발사했으며, 중국 Huawei는 통신 기업체로서는 세계 최초로 2021년 7월에 6세대 이동통신 저궤도 인공위성을 발사한다는 계획을 발표하였다.

Fig. 11. Radiation effects on semiconductors and electronic devices in the 6G cellular network with LEO satellites, future automobiles (self-driving car, frying car, and drone).Fig. 11. Radiation effects on semiconductors and electronic devices in the 6G cellular network with LEO satellites, future automobiles (self-driving car, frying car, and drone).

하지만 그림 11처럼 6세대 이동통신용 저궤도 인공위성/우주부품, 미래자동차, 국방부품에 사용되는 반도체와 전자장비는 모두 우주방사선(=태양이나 먼 은하에서 날아오는 고에너지 양성자빔)이나 대기방사선(=우주방사선이 대기와 반응하여 만들어지는 중성자빔)에 노출되어 있으며, 고도가 높을수록 우주/대기방사선의 세기는 강해지고 반도체 제작용 미세공정 선폭이 수 nm인 EUV Lithography 영역으로 반도체가 고집적화될수록 오동작을 일으킬 수 있는 확률은 높아진다.

삼성, SK하이닉스 등 전 세계 반도체 생산기업체들은 반도체의 표준 테스트 규정을 함께 만들어 오고 있으며, 이것을 JEDEC 보고서로 발표해 오고 있다. 특히 JEDEC 보고서인 JESD234에는 전자장비의 SEE 오류를 양성자를 이용하여 적절하게 테스트하기 위해서는 500 MeV급 이상의 양성자가속기를 사용할 것을 권고하고 있다.5)

그러나 국내 양성자가속기의 빔에너지는 100 MeV로 JEDEC에서 권고하는 반도체 테스트용 양성자 빔에너지인 500 MeV급보다 낮고, 중성자를 공급하지 못하고 있는 반면, 중국 CSNS(1.6 GeV, 0.1 MW), 일본 JSNS(3.0 GeV, 1 MW), 미국 SNS(1.3 GeV, 2.8 MW), 유럽연합 ESS(2.0 GeV, 5 MW), 영국 ISIS(0.8 GeV, 0.184 MW), 스위스 SINQ(0.59 GeV, 1 MW), 캐나다 TRIUMF(0.52 GeV, 0.2 MW)를 비롯한 해외 과학기술선진국들은 520~3,000 MeV급의 고출력 고에너지 양성자가속기를 구축하여 반도체 우주/대기방사선 테스트로 사용하고 있으며, 고에너지 양성자가속기 기반의 고출력 펄스형 중성자원도 공급하여 첨단과학기술을 개발하고 있는 상황이다.

따라서 해외 과학선진국 대비 양성자가속기의 저사양으로 첨단과학기술분야 국내 이용자들은 100 MeV 경주 양성자가속기를 이용한 후, 국제규격에 미치지 못하는 양성자가속기 빔에너지 때문에 다시 고에너지가 지원되는 해외 양성자/중성자 시설을 추가로 이용해야 하는 어려움을 느끼고 있다.

또한 중성자 시설의 경우, 연구용 원자로인 하나로의 7년간의 운영 중단으로 안정적 중성자를 국내 이용자들에게 공급하지 못하고 있다. 그리고 최근 산업계 이용자 급증으로 학계 및 연구계 이용자들이 양성자가속기 이용 빔타임을 확보하는데 많은 어려움을 느끼고 있는 상황이며, 해외 시설을 이용할 시, 경쟁국에 첨단과학기술분야 핵심기술의 누출이 우려되고 있으며, 중소기업체들의 제조원가 상승과 경쟁력 하락의 요인으로 작용하고 있다. 최근 해외 시설은 자국이익 우선주의와 COVID-19를 이유로 외국 이용자들에게 중성자/양성자 이용시설을 점차 개방하지 않는 추세이다.

특히 6세대 이동통신을 개발하기 위해서는 중국처럼 신속하게 저궤도 인공위성을 발사하여 통신기술을 개발하여야 하지만, 국내 기업체에서는 인공위성에 들어가는 우주부품의 우주/대기방사선을 테스트할 시설조차 없는 상황이라서, 6세대 이동 통신과 미래자동차 분야에서 계속 선두자리를 유지하기는 쉽지 않아 보인다.

따라서 해외 시설에 의존하지 않고 첨단과학기술분야의 핵심기술을 독자적으로 개발하고 중소기업체들의 제조원가 절감/제품 경쟁력 강화, 그리고 반도체와 이동통신 관련 기업체들의 세계적 선두 위치를 계속하여 유지하기 위해서 과학기술선진국이 보유한 양성자/중성자 시설과 대등한 사양으로의 경주 양성자가속기 성능 확장이 긴급하게 요구된다.

양성자가속기 활용도를 더욱 올리고 첨단과학기술분야의 세계적 경쟁력을 확보하기 위해서는 미국 SNS, 유럽의 ESS와 같은 초전도 가속관을 이용한 선형가속기 방식과 중국 CSNS, 영국 ISIS, 일본 JSNS와 같은 입사용 선형가속기와 원형 Synchrotron이 결합된 원형가속기 방식의 성능확장 방안을 고려할 수 있을 것이다. 성능 확장 가속기 타입에 대해서는 2021년 6월에 열린 양성자가속기 성능확장 전문가 간담회에서 전문가들은 구축 예산, 기간, 차후 에너지 확장의 용이성을 고려하여 중국, 영국, 일본처럼 선형가속기와 원형가속기가 결합된 Rapid Cycling Synchrotron(RCS) 타입으로 양성자가속기를 확장하는 것이 바람직해 보인다고 권고하였다.

Fig. 12. Aerial view of KOMAC proton accelerator facility after upgrade.
Fig. 12. Aerial view of KOMAC proton accelerator facility after upgrade.

[그림 12]는 원형가속기 타입으로 성능확장 후의 양성자과학연구단 캠퍼스 조감도이다. 성능 확장은 두 단계로 나누어 진행되며, 1단계 성능확장에서는 100 MeV 양성자가속기를 입사용 선형가속기로 이용하고, 약 280 m 둘레의 RCS타입의 원형가속기를 이용하여 약 500 MeV급 이상으로 에너지를 증가시키고, 조사용 양성자빔라인과 범용 중성자빔라인을 위한 약 60미터 길이의 첫 번째 실험동을 구축한다. 2단계 확장에서는 250 MeV급으로 선형가속기의 에너지를 확장하고, MW급 고출력 표적과 고해상도의 분석용 긴 중성자빔라인에 대한 기술을 확보한 다음, 최종적으로 0.6 MW, 2,000 MeV급 이상으로 성능 확장하며, 100미터 길이의 대형실험동을 구축한다.

Fig. 13. Various possible applications after KOMAC proton accelerator upgrade.Fig. 13. Various possible applications after KOMAC proton accelerator upgrade.

[그림 13]은 양성자가속기가 2,000 MeV으로 성능 확장될 때의 지원 가능한 에너지별 양성자/중성자빔의 다양한 응용분야들을 보여준다.

각주
1)Hidenori Iwashita, NTT Technical Review 17(3), Mar. (2019).
2)Victor U. J. Nwankwo et al., IntechOpen, DOI: 10.5772/intechopen.90115 (2020).
3)J-K. Jeon, S-M. Han, S-K Min, S-J. Seo, K. Ihm, WS. Chang and J-K. Kim, Scientific Reports 6, 37848-1 (2016).
4)B. Kim, H. Bae, H. Lee, S. Lee, J. C. Park, K. R. Kim and S. J. Kim, J. Cancer 7, 344 (2016).
5)JEDEC Solid State Technology Association, JEDEC Standard JESD234 (2013).
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