교토(Kyoto) 대학 원자로 실험소와 이탈리아 Trieste 방사광 연구소, 일본 원자력 연구 개발 기구, 이바라키(Ibaraki) 대학, 고휘도 광과학 연구 센터 연구 그룹은 전자를 측정할 수 있는 방사광 뫼스바우어(Mossbauer) 흡수 분광법(주 1)의 측정 시스템을 개발하여 그 측정 효율을 크게 높이는 데 성공하였다. 

방사광 뫼스바우어 흡수 분광법은 다양한 원소에 방사광을 공명 흡수(주 2)시켜 물질의 성질을 조사할 수 있는 유력한 방법이다. 통상의 분광법과 달리 전자 상태나 화학 상태를 국소적으로 조사할 수 있기 때문에 자석 재료 등의 기능성 재료의 구조를 조사하기 위해서 이용되고 있다. 지금까지 스펙트럼 측정을 위해서 핵 공명 흡수 후 발생하는 X선을 측정하고 있었지만 동시에 발생하는 전자는 유효 활용되지 않았다. 전자를 검출하는 방사광 뫼스바우어 분광 장치를 개발하여 측정 효율을 비약적으로 개선할 수 있으면 측정 효율의 부족에 의해 곤란했던 희토류 원소 등을 이용한 응용 연구에 길이 개척되어 이러한 원소로 구성된 기능성 재료의 연구 등 연구 수법의 새로운 응용 분야의 개척으로 연결될 것으로 예상된다. 

본 연구에서는 핵 공명 흡수에 수반하는 X선과 전자를 동시에 검출할 수 있는 검출기를 구비한 장치를 세계에 앞서 개발하였다. 또한 그 장치와 대형 방사광 시설 SPring-8의 대강도 X선을 이용하여 YbB12(주 3)에 포함되어 있는 174 Yb의 방사광 뫼스바우어 스펙트럼을 측정하는 것에 성공하였다. 향후 다양한 원소의 방사광 뫼스바우어 측정이 가능하게 되어 희토류 원소 자석 등의 자석 재료나 착체?촉매 재료?일렉트로닉스 재료의 기능성 재료 연구가 진전될 것으로 기대된다. 

뫼스바우어 분광법(주 1)은 방사성 동위체(주 4)로부터 나오는 특정 에너지를 가진 γ선을 재료에 조사하여 그 γ선을 공명 흡수하는 원소 주변의 물질 상태를 조사하는 방법이다. 이 방법은 선원이 되는 방사성 동위체가 구입하기 쉬운 철(Fe)이나 주석(Sn)을 포함한 재료 연구에서는 폭넓게 이용되고 있지만 적당한 방사성 동위체를 준비할 수 없는 경우 측정이 곤란 또는 불가능하게 된다. 

이것을 해결하는 방법으로서 방사성 동위체를 이용하지 않고 여러 가지 에너지의 γ선을 이용할 수 있는 방사광 뫼스바우어 분광법이 있다. 특히 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법은 게르마늄(Ge)이나 유러퓸(europium, Eu) 등의 다양한 원소를 이용한 측정에 응용되고 있다. 지금까지 이러한 측정 시스템에서는 스펙트럼 측정을 위하여 핵 공명 흡수 후 발생하는 X선과 전자 가운데 X선만을 검출하고 있었다. 그러나 이것으로는 측정이 며칠 걸리고 초전도 재료나 자석 재료의 개발에 관련되는 원소도 포함하여 응용 실험이 곤란한 원소가 남아 있었다. 이로 인해 연구 그룹은 X선에 가하여 전자도 검출할 수 있는 계측 시스템을 개발해 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법의 측정 효율을 큰 폭으로 향상시키는 것을 시도하였다. 

방사광 뫼스바우어 흡수 분광법에서는 (<참고자료 1> (좌))에 나타내는 것처럼 측정하고 싶은 원소를 포함한 시료로 미리 공명 흡수시킨 방사광을 하류에서 광축 방향으로 진동하는 산란체(동종의 원소를 포함하여 좁은 에너지 폭으로 공명하는 물질)에 조사하여 그 공명 흡수 후 방출되는 X선이나 전자 강도의 속도 의존성을 측정하는 것으로 시료의 흡수스펙트럼을 얻는다. 중요한 점은 방사광이 산란체와 공명한 후 X선뿐만 아니라 전자가 발생하는 점이다. 

어떤 종류의 동위체에서는 X선에 비해 상당한 비율로 전자가 방출되지만 기존에 이용하고 있던 검출기에는 노이즈 신호의 원인이 되는 가시광선을 차단하기 위해서 금속(베릴륨(beryllium, Be)) 박판을 창으로서 설치하고 있었다. X선은 Be를 투과할 수 있지만 전자는 Be를 투과할 수 없다. 그러나 전자를 검출할 수 있으면 뫼스바우어 흡수 분광법의 측정 효율을 현격하게 개선할 수 있다. 따라서 X선창을 없게 한 검출기를 산란체와 같은 진공 챔버(chamber) 내에 봉입하는 것으로써 가시광선을 차단하면서 산란체로부터의 X선과 전자의 신호를 동시에 검출할 수 있는 측정 시스템을 구축하였다. 새롭게 개발한 방사광 뫼스바우어 분광 장치의 외관 사진을 (<참고자료 1> (우))에 나타내었다. 

개발한 측정 시스템의 성능 평가를 위해서 이테르븀(ytterbium, Yb) 12 붕소화물(Boride(YbB12)에 포함되어 있는 Yb의 동위체 174 Yb의 방사광 뫼스바우어 스펙트럼을 측정하였다. 기존의 X선만을 검출하는 방법에서는 신호 강도가 매초 1.2카운트 밖에 얻지 못하고 해석에 견딜 수 있는 카운트수의 스펙트럼을 얻으려면 며칠 걸렸지만 전자를 검출하는 측정 시스템에서는 5배의 측정 효율 향상을 달성하여 10시간 측정으로 명료한 스펙트럼이 관측되었다(<참고자료 2>). 

뫼스바우어 분광법의 측정 정밀도를 좌우하는 흡수 피크의 반값 폭(<참고자료 2> 화살표)도 1.3 mm/s와 Yb 원자의 가수 결정 등 전자 상태를 조사하는 연구에도 충분히 이용 가능한 것이 확인되었다. 또한 뫼스바우어 분광법으로 이용하는 원소 중에서 방사광과 공명 현상을 일으키는 동위체(174 Yb)의 천연 존재비가 낮은 경우에는 동위체를 부화(富化)된 시료가 자주 이용된다. 이것은 일반적으로 매우 고가이고 입수가 곤란하다. 이번 측정에서는 동위체 부화는 하지 않고 측정 효율이 향상된 것으로 동위체 부화 시료에 의지하지 않는 측정이 가능하게 되었다. 

전자를 검출하는 것으로 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법의 측정 효율을 현격하게 개선할 수 있었다. 이번 개발한 측정 시스템은 Yb뿐만 아니라 신호 강도 부족 때문에 기능재료의 연구에 중요한 원소이면서 방사광 뫼스바우어 분광을 적용할 수 없었던 희토류 원소나 악티노이드(actinoid) 원소 등의 측정을 가능하게 한다((<참고자료 3>)의 청색 부분의 원소를 기대할 수 있다). 이것은 물질 과학에 있어서의 방사광 뫼스바우어 분광의 새로운 응용 분야(예를 들면 자석 재료나 초전도 재료를 비롯하여 새로운 물질의 합성과 기능 해명 등)를 비약적으로 폭넓게 적용할 수 있는 것을 의미한다고 한다. 

(주 1) 뫼스바우어 효과, 뫼스바우어 분광법, 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법 
뫼스바우어 효과는 방사성 물질(γ선원) 중 원자핵으로부터 방사된 특정 진동수의 γ선이 에너지를 잃지 않고 동종의 원자핵을 포함한 흡수체(시료)에 공명 흡수되는 현상으로 현재까지 약 45개 종류의 원소로 확인되고 있다. 이 현상을 발견한 R. L. Mossbauer는 1961년 노벨상을 수상하였다. 한편 γ선원과 시료가 다른 물질인 경우 원자핵이 공명 흡수를 일으키는 에너지는 주변 전자 상태의 차이로부터 서로 약간 변화한다. 

이 때 γ선원을 광축 상에서 진동시켜 빛의 도플러 효과(주 5)로 에너지를 변조한 γ선을 시료에 조사하여 투과 강도의 속도(에너지) 의존성을 측정하면 공명 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이러한 패턴 변화로부터 물질 중에서 공명에 기여한 원소 상태(전자 상태나 자기 구조 등)를 조사할 수 있다. 이 수법은 뫼스바우어 분광법으로 부르고 물성 물리?원자핵 물리`무기 화학`착체 화학`금속학`생명 과학`지구 우주 과학`고고학 등의 광범위한 분야에서 응용되고 있다. 

γ선원으로서 방사성 물질보다 고기능이면서 편리성이 뛰어난 방사광(주 6)을 이용하는 뫼스바우어 분광법도 있다. 2009년에 개발된 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법에서는 백색(연속파장)의 방사광을 시료에 조사한다. 이 때 방사광의 일부는 시료 중의 공명 원소에 흡수되므로 투과한 방사광의 에너지 분포에 공명 흡수 패턴이 기록된다. 이러한 패턴을 조사하기 위하여 동종의 원소를 포함해 좁은 에너지 폭으로 공명을 일으키는 물질(산란체)을 시료의 하류 측에 배치한다. 여기에 방사광을 조사하여 산란체 내의 원소가 공명 흡수를 일으킨 후 방출되는 X선이나 전자를 검출기로 측정한다. 이 때 산란체를 광축 상에서 진동시켜 도플러 효과로 원소의 공명 에너지를 변화(주사(走査))시키면서 신호 강도의 속도 의존성을 측정하면 시료의 공명 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 수법은 방사광 뫼스바우어 흡수 분광법으로 불리며 백색의 방사광을 다양한 원자핵에 공명시킬 수 있기 때문에 기존에는 γ선원의 준비가 어려워 측정할 수 없었던 원소의 뫼스바우어 분광에도 적용할 수 있다. 
(주 2) 공명 흡수 
공명 흡수란 어느 물질계가 진동하는 외장의 에너지를 흡수하여 여기되는 현상이다. 진동 주파수를 변화시키면 어느 값 근방에서 강한 에너지 흡수가 일어난다. 
(주 3) 이테르븀(ytterbium, Yb) 12 붕소화물(Boride(YbB12) 
실온에서는 금속과 같이 행동하지만 저온이 되면 어떠한 원인으로 전자의 행동이 변화하기 때문에 전기 저항이 증가하여 반도체와 같이 변화하는 물질군의 하나이다. 저온에서 반도체로 변화하는 원인은 아직도 해명되어 있지 않기 때문에 희토류 원소의 물성 연구에서도 특히 주목받고 있는 물질이다. 
(주 4) 동위체 
같은 원자 번호를 가지는 원소의 원자 가운데 원자핵에 포함되는 중성자의 수(즉 그 원자의 질량수)가 다른 원자를 동위체라고 부른다. 동위체는 종류마다 자연계에서 일정한 비율(천연 존재비)로 존재한다. 동위체에는 방사성의 것도 있지만 이번에 이용한 174 Yb는 자연의 이테르븀에도 32% 포함되어 있어 방사성이 없는 안전한 동위체이다. 
(주 5) 빛의 도플러 효과 
빛은 물결의 일종이므로 구급차의 소리로 잘 알려져 있는 소리의 도플러 효과와 닮은 현상이 일어난다. 즉 정지한 관측자에 대해서 빛이 상대적으로 운동한다고 관측되는 빛의 파장(에너지)은 실험실에서 측정되는 것과 차이가 있다. 이것을 빛의 도플러 효과라고 부른다. 
(주 6) 방사광 
방사광은 광속 근처까지 가속된 전자선의 궤도를 자장에서 굽혔을 때 발생하는 지향성이 높은 빛이며 적외선으로부터 X선까지의 넓은 파장 범위에 있는 백색광이다.  

* 자료 - KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』