한국원자력연구원(원장 정연호) 중성자이용기술개발부 선광민 박사팀은 미래창조과학부 원자력연구개발사업의 일환으로 연구용 원자로 하나로(HANARO)에서 만들어진 중성자를 이용해 수 마이크로미터(㎛, 100만분의 1 미터) 깊이에 존재하는 원소를 검출한계 100ppb(입자 1000만개 중 1개만 존재해도 확인 가능)의 미량까지 정밀하게 분석할 수 있는‘중성자 깊이분포 측정 장치(Neutron Depth Profiling)' 개발에 성공했다.
이번에 개발된 장치는 시료 안에 존재하는 특정 원소가 중성자를 조사하면 일정량의 에너지를 갖는 하전입자를 방출하고 이 하전입자가 시료 밖으로 뚫고 나오는 과정에서 다른 원소와 충돌하면서 에너지를 잃어 시료 표면 근처의 원소가 방출한 하전입자보다 적은 양의 에너지를 갖는 것을 이용한 것이다.
선 박사팀은 시료 표면에서 측정한 하전입자의 잔여 에너지를 통해 시료 안에 존재하는 원소의 종류와 깊이 등 위치, 분포를 확인할 수 있는 기술을 개발하고, 이를 적용해 NDP 장치를 개발했다.
이 장치는 분석 민감도를 향상시키기 위해 열중성자보다 에너지가 낮은 냉중성자를 이용한 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 장치에 이어 세계에서 두 번째로 구축된 것으로, 높은 중성자속을 가지는 고출력 원자로와 하전입자 수집 효율이 뛰어난 신호분석 장치를 구축·결합해야하는 기술적 어려움 때문에 전 세계적으로도 몇 대에 불과하다.
이번에 개발된 기술과 장치는 시료에 물리·화학적 손상을 주지 않는 비파괴검사가 가능한 것이 가장 큰 장점으로, 물질 표면 근처 혹은 얇은 막 형태의 시료에 존재하는 극미량의 원소를 확인하고 그 깊이 분포를 확인할 수 있어 리튬 배터리, 실리콘 반도체 등 각종 첨단 산업재료의 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.
연구원에 따르면 지금까지는 물질 속에 존재하는 원소의 깊이별 분포를 주로 가속기의 고에너지 중(重)이온을 이용해 파악했는데 이는 물질의 적층을 깎아내며 분석물에 손상을 줄 뿐 아니라 이미 원소의 깊이별 분포를 알고 있는 비교체와 상대 분석을 통해 간접적으로 절대량을 결정해야하는 번거로움이 있었다.
반면 이번에 개발된 장치를 이용하면 실리콘에 붕소 원소를 도핑(doping, 불순물 첨가)해 제조하는 P형 반도체 내의 붕소 원소의 원자밀도를 최적화해 전기가 흐르는 양을 엄밀히 조절하고, 작동 시 발열을 줄이는 등 반도체의 품질을 향상시킬 수 있다.
리튬이온전지 역시 전극으로 쓰이는 리튬 화합물 내 리튬 원소의 양을 정밀 제어해 일정한 전압을 유지하는 고성능의 전극재료를 생산해 전지의 에너지 밀도를 향상시키고 전지의 수명을 늘릴 수 있다. 또한 도자기를 보호하는 유약 등 코팅막의 원소를 제어함으로써 유물의 표면 보호 및 강화 재료 제작에도 활용되는 등 고고학, 생명공학 등 다양한 분야에 활용이 가능하다.
