빛으로 물질의 구조 분석하는 일종의 ‘현미경’
빛은 파동적 성질 때문에 그것의 파장 미만의 물체는 해석하지 못한다. 가시광선은 파장이400nm~650nm로 길어 원자나 분자의 배치를 보기에 적당치 않다. 따라서 원자 수준의 물질 미세구조를 조사하기 위해서는 단파장의 X-선 방출기기를 이용해야 한다.
방사광가속기는 X-선, 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 넓은 파장 영역의 빛을 인공적으로 만들어 주며, 짧은 파장의 빛으로 형상을 정밀하게 관찰하는 현미경으로서 주로 사용된다.
방사광가속기는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속시키는 선형가속기와 저장링, 23개의 방사광관으로 구성되어 있는데, 가속된 전자가 저장링 안에서 원운동을 하며 빛을 방출시키고, 이 때 방출된 빛은 방사광관을 통해 실험장치로 이끌어진다.
그렇다면 눈에 보이지 않는 X-선을 이용하여 어떻게 물질의 구조를 관찰할 수 있을까?
X-ray 현미경에서 물질의 구조는 물질을 투과한 단파장의 빛을 Scintillation crystal(X선을 가시광선 영역으로 변환시켜주는 필터)에 통과시켜 가시광선으로 변환시킨 다음 관찰하는데, 정밀한 상을 얻기 위해서는 집적된 X-선이 필요하다.
왼쪽 아래 그림에서와 같이 방사광관에서 방출된 빛이 분광기(Monochrometer)를 통과하고 있다. 분광기에 입사한 빛은 일정한 파장의 빛(특정 파장의 X-선)만이 걸러져 계속 진행하게 된다. 걸러진 빛은 다시 빛을 모으는 역할의 원형회절격자(circular diffracting grating)를 지난다. 원형회절격자는 원형의 판에 100나노미터 크기의 미세 격자를 촘촘히 만들어 통과한 빛이 서로 간섭할 수 있도록 한 것인데, 중심에서 수직으로 떨어진 지점에(그림에서 24m 지점) 보강간섭에 의한 빛이 집적되는 부분을 만들어 준다. 이곳에 물체(Sample)를 놓아 집광된 빛을 물체에 통과시키면 보다 정밀한 상을 얻을 수 있다. 최근에는 입사하는 빛에 위상차를 주는 필터를 도입하여 contrast를 개선했으며 70나노미터까지 분해하여 관찰할 수 있다. 물체를 투과한 빛은 확대 렌즈(25m 지점)를 통과하여 마지막으로 Scintillation crystal을 거친 다음 가시광선 영역으로 변환된 이미지를 만든다.
물질을 투과하는 X-선의 성질과 함께, 미시 세계의 관찰 기술은 비파괴 검사를 통한 물질의 구조 분석, 초정밀 부품 및 기기의 제작, 생명현상 관측 및 신약개발 등 최첨단 과학 분야의 국제 경쟁력을 높임으로서 국가의 위상을 획기적으로 제고하는데 크게 기여했다.
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