"원자 단위 꿰뚫는 슈퍼 현미경"… 中 4세대 방사광 가속기, 첫 전자빔 방출 성공

미국의 대중국 반도체 장비 수출통제가 첨단 노광 분야를 정조준하고 있는 가운데, 중국이 물질의 미세 구조를 원자 단위에서 정밀 관측할 수 있는 차세대 4세대 방사광 가속기 '허페이 첨단 광 시설(HALF·Hefei Advanced Light Facility)'에서 첫 번째 전자빔을 성공적으로 생성해 방출했다.

알츠하이머와 같은 난치병 기전 규명부터 신소재·배터리 분석은 물론, 첨단 반도체 제조의 최대 병목인 극자외선(EUV) 리소그래피 기술 연구의 원천 플랫폼이 될 '슈퍼 현미경' 구축의 핵심 기술적 관문을 돌파한 것이다.

특히 선형 가속기를 구성하는 핵심 장비를 순수 자국 기술로 제작해 시험 가동에 성공함에 따라, 기초과학 인프라를 지렛대 삼아 미국의 기술 봉쇄를 뚫으려는 중국의 반도체 원천 기술 자립 행보가 한층 탄력을 받을 것으로 전망된다.

9월 28일(현지시각) 홍콩 영자 일간지 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도에 따르면, 중국 안후이(安徽)성 허페이에 구축 중인 국가 중대 과학기술 인프라 '허페이 첨단 광 시설(HALF)'은 지난 9월 20일 선형 가속기(Linac)를 통한 첫 공식 전자빔 방출 시험을 완벽하게 완수했다.

HALF 프로젝트의 핵심 구동체인 전자총에서 발사된 고밀도 전자 다발은 길이 192m에 달하는 선형 가속기 내부를 통과하며 빛의 속도에 가깝게 가속되어 설계 목표치인 22억 전자볼트(2.2GeV)의 에너지 준위에 성공적으로 도달했다.

인젝터(입사기) 시스템 수석 엔지니어 허즈강(He Zhigang) 박사는 국영 신화통신과의 인터뷰에서 "선형 가속기에서 생성되는 전자빔은 방사광의 원천으로, 빔의 품질과 안정성이 향후 저장링 및 하류 실험 빔라인의 성패를 직결한다"며 "초도 빔 생성과 성공적인 인도는 프로젝트 최종 완성을 향한 결정적인 기술적 발걸음"이라고 평가했다.

방사광 가속기는 초고속으로 질주하는 전자가 자기장에 의해 궤도를 틀 때 방출되는 강력한 전자기파(방사광)를 현미경처럼 활용해 원자 및 분자 구조를 관측하는 대형 연구 시설이다.

회절 한계 저장링(DLSR) 기술이 적용된 4세대 저에너지 광원인 HALF는 기존 3세대 가속기에 비해 전자빔을 더욱 미세하게 제어·집속함으로써 기존 광원보다 100배 이상 밝고 결맞음(Coherence)이 뛰어난 고품질 연X선(Soft X-ray)을 생성 할 수 있다.
프로젝트 총괄이자 중국과학원 원사인 펑둥라이(Donglai Feng) 교수는 이번 선형 가속기에 투입된 모든 핵심 하드웨어 장비가 100% 중국 국내에서 독자 설계 및 제작되었다고 강조했다.


2023년 착공해 오는 2028년 완공을 목표로 하는 HALF는 향후 전 세계 연구자들에게 개방될 총 35개의 최첨단 실험 빔라인(스테이션)을 단계적으로 구축할 계획이다.

가장 큰 전략적 주목을 받는 부분은 1차로 구축되는 10개 빔라인 중 하나로 포함된 '극자외선(EUV) 리소그래피 연구 플랫폼'이다.

현재 미국 정부는 네덜란드 ASML의 최첨단 EUV 노광 장비는 물론 구형 심자외선(DUV) 장비의 대중국 수출까지 엄격히 차단하고 있다.

중국은 HALF의 강력한 연X선 및 극자외선 파장 제어 능력을 활용해 차세대 미세 회로 전사 기술, 고감도 포토레지스트(PR), 광학 거울 코팅 소재 등 자체 EUV 및 차세대 패터닝 기술을 원자 수준에서 검증하고 개발하는 핵심 테스트베드로 활용할 방침이다.

이 밖에도 차세대 고온 초전도체의 전자 스핀 상태 분석, 전고체 및 리튬이온 등 신에너지 배터리의 실시간 화학 결합 거동 규명, 나노 디바이스 물성 평가, 알츠하이머 유발 단백질의 3차원 입체 구조 해석 등 첨단 물리·소재·생명과학 연구가 해당 시설에서 집중적으로 이뤄질 예정이다.


중국은 이번 HALF의 성공적인 전자빔 출사를 통해 국가 단위의 '첨단 광원 트라이앵글' 완성을 눈앞에 두게 됐다.

현재 건설 중인 수도권의 베이징 고에너지 방사광원(HEPS), 기존 상하이 푸둥의 상하이 싱크로트론 방사광 시설(SSRF)과 연계해 고에너지(경X선), 중에너지, 저에너지(연X선) 전 영역을 빈틈없이 커버하는 세계 최대 수준의 방사광 가속기 연구망을 완성하게 된다.

과거 1980년대 후반 베이징 전자-양전자 충돌기(BEPC)의 부산물로 방사광을 처음 활용했던 중국은 1989년 허페이에 2세대 전용 광원을 건립한 이래, 사스(SARS) 바이러스 구조 규명과 희귀 암 치료 메커니즘을 밝혀내는 등 가속기 기반 기초과학 역량을 꾸준히 축적해 왔다.

HALF의 선형 가속기 전자빔 발출 성공은 단순한 대형 과학 인프라 구축을 넘어, 서방의 공급망 차단에 직면한 중국이 기초 물리학과 소재 분석 역량이라는 뿌리 기술을 강화해 반도체와 미래 배터리 등 첨단 전략 기술의 돌파구를 열겠다는 의지를 명확히 보여주는 상징적 성과로 풀이된다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com