화학반응 낱낱이 포착… 과학기술 수준 업그레이드
KAIST 등 아토초 단위 초정밀 측정기술 연구 활발

10억분의 1을 뜻하는 `나노(nano)'라는 말이 흔히 쓰이는 세상입니다. 나노미터는 머리카락 굵기의 10만분의 1, 나노초는 10억분의 1초를 뜻합니다. 눈에 보이지 않는 원자와 분자의 세계를 다루는 것이 바로 나노기술입니다.

그런데 최근에는 나노의 10억분의 1인 아토(attoㆍ100경 분의 1)라는 용어가 자주 들립니다. 아토는 나노, 피코(picoㆍ1조분의 1), 펨토(femtoㆍ1000조분의 1)보다 더 짧은 길이나 시간을 다루는 단위로, 인간이 아토의 세계를 다룰 수 있다면 지금과는 비교할 수 없는 정밀한 눈과 도구를 갖게 되는 셈입니다. 원자 내에서 전자가 운동하는 시간이 아토초 영역이며, 수소 원자에서 전자가 원자핵을 한번 도는 데 걸리는 시간이 150아토초 정도로 알려져 있습니다.

◇전자의 운동 들여다본다=아토초, 즉 100경분의 1초 동안에는 어떤 일이 일어날까요. 빛은 1아토초 동안 0.3나노미터(㎚)의 길이를 진행하는데, 이 정도 길이는 원자의 지름 정도에 해당합니다. 원자 내에서 전자가 원자핵 주변을 도는 데 걸리는 시간은 약 150∼180아토초 정도입니다. 아토초 과학은 지금까지 원자나 분자 수준에 머물렀던 과학기술의 능력을 전자 수준으로 끌어올리고, 물질 내부의 양자역학적 현상을 들여다보고 인위적으로 제어하는 길을 열어줄 것으로 기대됩니다.

물질의 화학적 반응은 전자의 움직임에 의해 일어나는데, 화학적 반응에서 전자의 운동은 주로 펨토초나 아토초 영역에서 일어납니다. 기존 과학기술에서 화학반응의 결과만 볼 수 있었다면 아토초과학에서는 화학반응의 과정을 낱낱이 볼 수 있게 되는 셈입니다.

◇첨단 레이저 기술 필요=아토초과학을 현실화하려면 그에 걸맞은 장치가 필요합니다. 날아가는 총알을 포착하려면 초고속 카메라가 필요하듯이 아토초에 벌어지는 현상을 보려면 전자나 이온, 빛을 측정하는 초정밀 측정기술이 필요합니다. 또 아토초 단위로 고강도 레이저를 발생시키는 아토초 레이저 펄스 기술이 필요합니다. 이 레이저를 조절함으로써 원자나 분자 내의 전자 운동을 조절할 수 있게 됩니다.

과학자들은 이미 그런 노력을 시작했습니다. KAIST 창의연구단인 `결맞는엑스선연구단' 단장을 맡고 있는 남창희 교수 연구팀은 올초 아토초 레이저 펄스를 이용해 헬륨원자에 쪼여 전자가 분리되는 현상을 아토초 단위로 포착하는 데 성공했습니다. 자체 개발한 고출력 펨토초 레이저와 고성능 광전자 계측장비가 연구에 이용됐습니다. 이 연구단은 국내 아토초과학 연구를 주도하고 있습니다.

전문가들에 의하면 아토초과학의 이상적인 형태는 완벽한 아토초 단일펄스 표준광원으로 원자와 전자의 움직임을 완벽하게 관측ㆍ제어하는 것입니다.

◇세계적 연구그룹들 기술 경쟁=아토초과학 세계를 선점하기 위해 과학계는 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 세계적인 선도그룹은 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 독일 막스플랑크연구소, 캐나다 오타와대학의 JAS랩, 일본 이화학연구소(RIKEN) 등입니다.

국내에서는 KAIST 결맞는엑스선연구단이 1999년 출범해 아토초 펄스 측정기술, 아토초 측정 기술 등을 개발하며 문을 열었습니다. 연구단이 배출한 인력들은 KAIST, 광주과학기술원 고등광기술연구소 등에서 연구를 펼치고 있습니다. 광주과기원 고등광기술연구소는 극초단광양자빔 사업을 통해 페타와트 펨토초 레이저를 개발했으며, 이를 응용한 고출력 아토초 펄스를 개발하고 있습니다. 포스텍은 독일 막스플랑크연구소와 협력해 아토초 펄스 발생 및 응용연구를 진행하고 있습니다. 특히 170아토초 펄스폭을 갖는 단일 레이저 펄스를 만드는 데 성공했습니다.

서울대 시공간분자동력학연구센터는 펨토초 및 아토초 기술을 물리화학적으로 적용하는 연구를 하고 있습니다.

아토초과학을 선도하는 나라는 미국과 독일로, 정부 주도로 기초와 응용연구 분야에 지속적으로 투자를 하고 있습니다. 짧은 펄스 광원을 개발하는 기초연구뿐만 아니라 이 기술을 화학이나 나노과학, 생명과학에 적용하는 응용연구도 활발하게 이뤄지고 있습니다.

이에 비해 우리나라는 연구그룹이 몇 개밖에 없고 대부분의 연구과제가 기초단계에 머물러 있는 것으로 평가됩니다. 아토초 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하려면 중장기적인 지원 로드맵이 필요하다는 게 전문가들의 지적입니다.

안경애기자 naturean@

자료참조=한국과학기술기획평가원 동향브리프, 한국물리학회