일본산업뉴스요약

태양관측이 첨단 산업으로
원소의 움직임 추적, 배터리 및 반도체에 응용

태양관측을 위해 개발된 고속 X선 관측장치가 폭 넓은 분야로부터 관심을 모으고 있다. 지금까지 얻기 어려웠던 사진과 같은 화상과 파장에 따른 에너지 분석을 나타내는 스펙트럼을 동시에 자세히 관측할 수 있기 때문이다. 학술연구뿐만이 아니라 향후에는 배터리의 개발 및 반도체 제조 등의 산업 이용에서의 응용이 기대되고 있다.

-- X선으로 1초에 1,000장 촬영 --
국립천문대 및 우주항공연구개발기구(JAXA) 등이 개발한 X선 관측장치는 1초간 최대 1,000장의 X선 화상을 촬영할 수 있는 것이 특징이다. 정확한 시간에서 공간과 스펙트럼을 동시에 높은 능력으로 관측할 수 있다. “이것들을 동시에 만족시킬 장치는 지금까지 없었다”라며 국립천문대의 나루카게(成影) 조교는 말한다.

-- 범위를 좁혀 고속화 --
X선 관측장치는 주로 천문학에서 이용되고 있다. 용도에 맞춰 화상센서 및 분광기 등을 사용하고 있다. 과거에는 단파장의 X선을 고속으로 파악할 수 있는 성능을 가진 장치는 없었다.

신형의 관측장치는 X선을 눈의 역할로서 고속판독이 가능한 뒷면 방사형 CMOS 화상센서를 사용했다. 이 화상센서는 종횡 2048화소로, 원래 성능으로는 1초간 촬영 가능한 것은 48장. 그러나 촬영범위를 태양관측에 필요한 종횡 512화소에 맞추고 화상의 판독 및 처리용 회로 등을 새롭게 개발하여 1초당 최대 1,000장의 고속화를 실현했다.

한번에 촬영한 것은 군데군데 점과 같은 모양이 보이는데 그친다. 그러나 고속 촬영으로 다수의 연속된 데이터를 합치면 전체의 미세한 화상이나 연속된 상세 스펙트럼 데이터가 떠오른다. 각각의 데이터는 단시간의 것이기 때문에 시간에 따라 어떻게 변화했는지에 대해 자세히 조사할 수도 있다.

사용한 CMOS화상 센서는 시판제품으로 본래는 가시광용 제품이다. 그러나 “잘 맞을 것 같다는 생각에 시험해본 결과, 좋은 X선 데이터를 얻을 수 있었다”라고 이시가와(石川) JAXA 우주과학연구소 연구원은 회상했다. 센서제조업체와 공동으로 X선 관측 장치용으로의 개량에도 나섰다. 이 신형 X선관측장치에 대해 천문학 이외의 다른 분야의 전문가도 주목했다.

그 중에서도 활용이 예상되는 분야 중 하나가 방사광 시설 등에서 발생시킨 강력한 X선을 사용하여 현미경과 같이 내부를 자세히 조사하는 분야이다. 분자과학연구소 극단 자외광 연구시설의 다이토(大東) 조교수는 “특정의 원소가 어떻게 움직이는지 까지 실시간으로 추적할 수 있게 된다”라고 기대했다.

-- 에너지 분석 --
X선 현미경을 사용하여 동영상을 촬영하는 것은 가능하지만, 흑백화상으로 알 수 있는 것은 물체의 형태뿐이다. 그러나 새로운 장치는 에너지 분석까지 할 수 있어 화학반응 등의 과정에서 각각의 원소를 구분할 수 있게 된다.

예를 들어 리튬이온전지의 내부에서 충전 및 방전 시에 리튬이온이 어떠한 움직임을 나타내는지를 실시간으로 파악할 수 있다. 전기자동차용 등에 배터리의 개량 및 개발을 추진함에 있어 이런 해석기술은 커다란 무기가 된다.

차세대 반도체의 회로의 원판에 해당하는 마스크에 결함이 없는지를 조사하는 검사에도 사용할 수 있다고 기대되고 있다. 회로의 선 두께가 약 10나노(나노는 10억분의1) 미터의 차세대 반도체의 제조에 사용되는 EUV라는 파장의 극단적인 짧은 자외선을 사용한 노광장치가 그 대상이다.

지금까지의 센서로는 1초에 1장의 화상을 촬영하는 것이 한계로, 마스크의 검사에 시간이 걸리는 것이 문제였다. 새로운 장치는 X선에 파장이 가까운 자외선이라도 고속촬영이 가능하여 이 문제를 해결할 수 있다. 또한 “광자 1개의 검출이 가능하여 초정밀 측정으로의 길이 열렸다”라고 검사장치를 개발하고 있는 효고(兵庫)현립대학의 하라다(原田) 조교수는 설명한다.

장치는 원래 개발목적이었던 천문분야에서도 기대를 모으고 있다. 태양을 관측하여 태양을 둘러싼 코로나라고 불리는 전이가스가 100만도라는 매우 높은 온도가 되는 구조를 해명하는 것이 목적이다. 태양의 표면이 6,000도밖에 되지 않는데 코로나가 이렇게까지 고온이 되는 것은 플레어와 그 주변에 일어나고 있는 자기장의 변화 및 입자의 가속이 중요한 역할을 하고 있다고 예측되고 있다.

이 구조는 핵융합 등과도 관련된 플라즈마 물리학에서도 중요한 테마이다. 전문 분야에서의 응용을 목적으로, 연구 프로젝트에는 도쿄대학 등의 연구자도 참여하고 있다.

태양의 관측에서는 2018년 미국에서 쏘아 올린 관측용 로켓 ‘폭시3’에 탑재하여 실증 실험하는 준비가 진행되고 있다. 앞으로는 관측위성에 탑재하여 24시간 태양 관측에 사용하는 것도 검토되고 있다.

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