GIST, 이온빔 에너지 분포 역설계 기술 개발

고체 상태 유지하며 태양 수준 고온 구현
가열 조건 먼저 설정 후 이온 조건 설계

광주과학기술원(GIST)은 물리·광과학과 방우석 교수 연구팀이 고체와 같은 높은 밀도를 유지한 채 물질을 최적의 방식으로 가열할 수 있는 이온빔 에너지 분포 역설계 방법을 제시했다고 13일 밝혔다.

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

고에너지 이온빔은 전하를 띤 이온을 빠르게 가속해 만든 입자선으로, 물질 내부에 직접 에너지를 전달할 수 있다. 이를 이용하면 나노초(ns) 이하의 매우 짧은 시간 안에 고체와 같은 높은 밀도를 유지한 채, 고체의 녹는점을 훨씬 넘어서는 고온 상태(수만 켈빈(K) 수준)를 구현할 수 있다.

이렇게 생성되는 극한 상태가 바로 따뜻한 고밀도 물질(Warm Dense Matter, WDM)로, 고체와 플라즈마의 중간 영역에 해당하는 물질 상태다. 이는 행성 내부 환경이나 핵융합 연료 상태를 이해하는 데 중요한 연구 대상이다.

그러나 기존 이온빔 가열 방식은 이온 에너지에 따라 물질 내부에서 멈추는 깊이가 달라지는 특성 때문에 시료를 균일하게 가열하기 어려웠다. 브래그 피크(Bragg peak) 현상으로 인해 에너지가 특정 깊이에 집중되면서 시료 내부의 온도 분포가 불균일해지는 문제가 발생한다. 반대로 이온 에너지를 매우 높이면 가열의 균일성은 개선될 수 있지만, 많은 이온이 시료를 통과해 빠져나가면서 에너지 전달 효율이 낮아지는 한계가 있다. 따라서 가열의 균일성과 에너지 효율을 동시에 만족하는 이온 에너지 분포를 설계하는 것이 핵심 과제였다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 원하는 가열 조건을 먼저 설정한 뒤, 그 조건을 만족하는 이온 에너지 분포를 역으로 계산하는 '역설계(inverse design) 방법'을 제시했다. 이를 위해 먼저 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 활용해 서로 다른 에너지를 가진 탄소 이온이 1㎝ 두께의 고체 밀도 알루미늄 시료를 통과할 때 깊이에 따라 에너지가 어떻게 전달·흡수되는지를 계산했다.

몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation) 무작위 추출을 반복해 복잡한 물리 현상을 계산하는 방법이다. 이 연구에서는 이온이 물질 내부를 지나며 깊이에 따라 얼마나 많은 에너지를 전달하는지 계산하는 데 사용됐다.

두께 1㎝의 고체 알루미늄 시료를 균일하게 가열하기 위해 탄소 이온 에너지 분포를 최적화한 결과도. GIST 제공

연구팀은 이렇게 개발한 계산 방법을 탄소 이온빔에 적용해, 1㎝ 두께의 고체 밀도 알루미늄 시료를 균일하게 가열할 수 있는 조건을 도출했다. 그 결과, 에너지 전달 효율을 극대화하는 조건에서 약 10억 전자볼트 부근에 에너지가 가장 많이 분포하는 초지수형(super-exponential) 에너지 분포가 도출됐다. 컴퓨터 시뮬레이션으로 검증한 결과, 해당 분포의 이온빔은 에너지 전달 효율 99.1%, 가열 비균일도 0.55%를 기록해, 가열의 균일성과 효율을 동시에 극대화할 수 있음을 확인했다.

방우석 교수는 "이번 연구는 원하는 가열 분포를 먼저 정하고, 이를 구현하는 최적의 이온 에너지 분포를 계산적으로 설계할 수 있음을 보여준 것"이라며 "균일성과 효율을 동시에 만족하는 이온빔 조건을 제시함으로써 고체 밀도를 유지한 극한 상태 물질의 정밀 가열이 필요한 다양한 연구와 응용 분야에서 폭넓게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

GIST 물리·광과학과 방우석 교수가 지도하고, 이성민·조수지 석박통합과정생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 세계 학술지 평가 지표인 JCR(저널 인용 보고서) 기준 역학 분야 상위 6.1% 국제학술지 'International Communications in Heat and Mass Transfer'에 지난달 19일 온라인으로 게재됐다.

호남취재본부 민찬기 기자 coldair@asiae.co.kr