광주과학기술원(GIST) 연구진이 고체 상태를 유지한 채 물질 내부를 태양 표면 수준의 초고온으로 균일하게 가열할 수 있는 이온빔 설계 기술을 개발했다.
기존 이온빔 가열의 한계였던 시료 내부 온도 편차를 크게 줄이면서 에너지 효율까지 높여 핵융합과 극한물질 연구의 정밀도를 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다.
13일 GIST에 따르면 물리·광과학과 방우석 교수 연구팀은 원하는 가열 조건을 먼저 설정한 뒤 이에 맞는 이온빔 에너지 분포를 역으로 계산하는 '역설계(inverse design)' 방법론을 제시했다.
고에너지 이온빔은 전하를 띤 이온을 빠르게 가속한 입자선으로, 물질 내부에 직접 에너지를 전달해 매우 짧은 시간 안에 고체 밀도를 유지한 채 수만 켈빈(K)에 이르는 초고온 상태를 구현할 수 있다.
이 과정에서 형성되는 '따뜻한 고밀도 물질(WDM)'은 핵융합 연료나 거대 행성 내부 환경을 이해하는 데 중요한 연구 대상이다.
하지만 기존 방식은 이온 에너지가 특정 깊이에 집중되는 '브래그 피크' 현상 탓에 시료 내부를 균일하게 가열하기 어렵다. 반대로 이온 에너지를 높이면 상당량이 시료를 통과해 에너지 효율이 떨어지는 한계가 있었다.

(왼쪽부터) GIST 물리·광과학과 방우석 교수, 이성민 석박통합과정생, 조수지 석박통합과정생. /GIST 제공

연구팀은 몬테카를로 시뮬레이션과 최적화 계산 기법을 활용해 1㎝ 두께의 고체 밀도 알루미늄 시료를 균일하게 가열하는 최적의 탄소 이온 에너지 분포를 도출했다.
컴퓨터 시뮬레이션 결과, 새 설계 방식은 에너지 전달 효율 99.1%, 가열 비균일도 0.55%를 기록하며 균일성과 효율을 동시에 확보한 것으로 나타났다.
비교적 단순한 형태의 준단색 이온빔에서도 약 95% 효율과 0.42% 수준의 높은 균일성을 확인했다.
연구팀은 일정 수준 이상의 이온을 투입할 경우 태양 표면(약 5800K)보다 높은 약 1만K 이상의 초고온 상태를 구현할 수 있으며 전체 가열 과정은 0.1나노초(ns) 이내에 이뤄진다고 설명했다.
방 교수는 "원하는 가열 분포를 먼저 정한 뒤 이를 구현하는 최적의 이온 에너지 분포를 계산적으로 설계할 수 있음을 보여준 연구"라며 "고체 밀도를 유지한 극한 상태 물질의 정밀 가열이 필요한 다양한 연구와 응용 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이번 연구는 GIST 물리·광과학과 이성민·조수지 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.
연구 결과는 국제학술지 International Communications in Heat and Mass Transfer에 게재했다.
/이동기 기자

호남매일 honamnews@hanmail.net