작성일 : 14-06-30 10:29
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물리학과 첨단기술 2014년 05월호 : 사이클로트론: 특허 받은 실험장치
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글쓴이 :
관리자
 조회 : 4,104
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 2195_article_사이클로트론_특허 받은 실험장치.pdf (2.0M) [6] DATE : 2014-06-30 10:29:19 |
 http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/2195_article.pdf [1572] |
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들어가는 글
“그 문제를 물리적으로 설명해 보게.” 세세한 수학적 표현으로 현상을 명확하게 설명하는 것이 가능할지라도, 그보다는 물리적 직관을 선호했던 어니스트 로렌스(Ernest Olando Lawrence, 1901∼1958)의 말이다. 누구보다 뛰어난 물리적 직관력을 가졌던 어네스트 로렌스는 1929년 어느 봄날 저녁에 우연히 살펴보던 독일 학술지에 실린 하전입자의 새로운 가속방법[1]에서 사이클로트론의 아이디어를 떠올리게 된다. 작은 크기의 “밀기”작용이 같은 방향으로 이어져 입자가 고에너지를 가지도록 가속하는 선형 가속기를 보고, 로렌스는 긴 직선을 원으로 바꿀 생각을 한 것이다. 사이클로트론 발명 하전입자를 전기장이 설치된 구간에 통과시키면 가속운동을 하게 된다. 전기장이 설치된 구간을 통과하면서 에너지를 얻은 하전입자를 계속해서 전위차가 없는 접지 영역으로 통과시킨 뒤 다시 전기장 구간을 통과시키면 하전 전하는 다시 에너지를 얻게 된다. 이와 같이 에너지를 반복적으로 가해주면 원하는 크기의 에너지를 하전입자에 가할 수 있는 것이다. 어니스트 로렌스는 하전입자가 자기장 속에서 원운동을 한다는 사실을 이용하여 사이클로트론에 대한 아이디어를 착상했다. 단면이 반원인 두 개의 전극을 이용하여 하전입자가 전극 사이를 이동할 때는 에너지를 얻어 가속되고, 전극 내부에서는 자기장의 영향으로 에너지의 증가 없이 원운동을 한다. 일정한 에너지를 이미 획득한 하전입자가 전극 사이를 이동할 때마다 속도가 증가하므로 회전반지름은 점점 커져서 하전입자는 나선운동을 하게 된다. 속도 ν 인 하전입자가 크기 B 인 자기장을 통과할 때 받는 자기력(FB)은 →FB=→qv × →B 이고, 이는 구심력으로 작용하게 된다. 이 구심력은 질량이 m이며, 속도 v로 반지름 r인 원주를 따라 운동하는 물체의 원심력과 동일한 크기를 가지므로 qvB = mv²/r 식을 만족하게 되고, 따라서 반지름 (r)은 r = mv/qB 이 되어 속도가 커질수록 커진다. 즉, 자기장의 크기가 일정하게 되면 속도의 크기가 클수록 하전입자가 그리는 원주 궤적의 원의 크기를 정하는 반지름도 증가하고 반지름이 가장 큰 가장자리부에 도달하게 되면 외부로 방출되는 것이다. 그런데 단면이 반원형인 전극이 마주보고 있는 구조에서 하전입자가 이동하는 방향으로 계속하여 하전입자를 가속하기 위해서는 두 개의 전극이 가지는 극성이 하전입자가 반원운동을 하고 경계에 올 때마다 바뀌어야 한다. 그 주기 f는 속도 v를 원주 2πr 로 나눈 값이므로, 계산하면 qB/2π*m의 값을 가진다. 하전입자의 질량이 작기 때문에 이 값은 상당히 큰 값이어서, 실제 구현하기에는 많은 어려움이 따랐다. 이 문제를 해결하기 위해 발명을 착상한 어니스트 로렌스는 대학원생이던 스탠리 리빙스턴(Milton Stanley Livingston, 1905∼1986)의 도움으로 3년 가까운 시간이 지나서야 사이클로트론을 제작할 수 있었으며, 그 직후에 특허로 출원하였다. 실험물리학의 발전역사에서 예외적 위치[2]로 인정받는 사이클로트론 개발 프로젝트를 지휘한 어니스트 로렌스는 “사이클로트론의 발명과 개발에 대한 기여와 인공 방사능 동위원소 등 사이클로트론으로 얻어진 결과물에 대한 기여”로 1939년 노벨물리학상을 받았다. 산업상 이용가능한 발명 어니스트 로렌스는 왜 처음 아이디어를 착상했을 때 바로 특허로 출원하지 않았을까? 실험장치는 기계장치이기 때문에 그 구조와 작동원리를 설명할 수 있으면 실제 만들어서 가동시켜 보지 않아도 특허로 출원할 수 있고 또 등록받을 수도 있다. 특허는 발명된 물건에 인정되는 것이 아니라, 발명 자체에 인정되는 것이고 발명이란 “자연법칙을 이용한 기술적 사상의 창작으로서 고도한 것”[3]이기 때문이다. 여기서 기술적 사상이란 어떤 물건 그대로가 아니라 그 물건에 구현된 추상적 원리를 말한다. 단면이 반원형인 두 개의 전극과 이 전극에 일정한 주파수로 교류를 공급하는 전원 그리고 일정한 크기의 자기장을 공급하는 자석으로 구성된 사이클로트론은 기술적 사상이고, 이전에 없던 새로운 방식이므로 어니스트 로렌스는 이를 창작한 것이며, 그 창작수준은 고도하다고 인정되기 때문에 실제 장치를 만들어서 구현하지 않아도 그 개념만으로도 특허를 받을 가능성은 있다. 그러나 당시 기술로 사이클로트론을 실제 제작할 수 있는가를 살펴볼 필요는 있다. 양성자의 전하량과 질량을 대입한 qB/2π*m 값만큼 빠른 주파수로 단면이 반원형인 두 개의 전극에 번갈아 교류전압을 가하는 것이 현실적으로 어려울 수 있기 때문이다. 실제로 구현되기 어려운 발명을 걸러내기 위해 특허법은 산업상 이용가능성 있는 발명[4]에만 특허를 주는 규정을 두고있다. 이는 산업에서 실제로 실시될 수 있는 발명에만 특허를 인정하는 원칙이며, 특허법이 산업발전에 이바지함을 목적[5]으로 하기 때문이다. 즉, 구성요소 중 일부가 현재의 기술수준으로 실현불가능하고 장래 실현가능성도 분명하지 않은 미완성발명은 산업상 이용가능성이 없다고 판단하여 특허를 허여하지 않는다. 또한, 치열한 시장경쟁에서 이기기 위해 개념특허를 선점해야 하는 기업의 연구원이 아닌 대학교수였던 어니스트 로렌스에게는 굳이 아이디어단계에서 특허를 출원할 필요도 찾기 어려웠을 것이다. 어니스트 로렌스가 출원했던 사이클로트론 특허는 장치와 함께 방법을 권리로 청구하였으며(Method and apparatus for acceleration of ions), 발명의 상세한 설명에는 전자와 양성자의 전하대 질량비 값과 사용한 자석의 자기장값까지 기록되어 있다. 이와 같은 실시예가 기록되면 발명의 완성도가 높아지기 때문에 특허받을 가능성은 한층 커진다. 그렇다면 당시 물리학 실험 장치였던 사이클로트론은 양성자나 전자를 가속하여 주로 핵의 구조를 연구하는 물리학자들의 실험에 쓰이는 장비였는데 굳이 특허를 획득할 이유가 있었을까? 나가는 글 특허를 획득하게 되면 특허권자는 업으로서 그 특허발명을 실시할 권리를 독점[6]한다. 업으로 실시한다는 것은 사업으로 실시한다는 것이므로, 개인적으로 실시하는 행위는 특허권을 침해하지 않는다. 즉, 실험이나 연구를 위해서 사이클로트론을 만들고 이를 사용하여 실험데이터를 얻는다고 해도 로렌스의 특허를 침해하지는 않는다. 다만, 물리학자들이 모두 사이클로트론을 직접 만들지는 않고 영리를 목적으로하는 실험기기 제조업체로부터 구매할 수도 있다. 이 경우에 그 업체는 로렌스에게 특허실시에 대한 라이센스를 얻어야 생산이 가능하다. 실제로 사이클로트론 개발 이후 원자핵 관련연구가 폭발적으로 증가했으며, 그보다 더 중요하게는사이클로트론을 사용한 인공 방사성물질의 생산이었다. 로렌스의 특허는 장치와 방법이었고, 방법발명이 특허받은 경우 실시는 그 방법을 사용하는 행위이므로, 사이클로트론으로 방사성 동위원소를 만들게 되면 특허의 실시가 되는 것이었다. 물론 여기서도 물리학자들의 동위원소연구는 자유로운 실시가 가능하지만, 의학적 용도로 사용되는 반감기가 짧은 인공 동위원소의 제조는 특허권의 범위에 포함되는 것이었다. 이러한 경제적인 이익 말고도 특허를 획득하게 되면, 국가기관으로부터 최초발명자라는 사실을 공인받는 이익도 누린다. 참고문헌 [1] “Ueber Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen,” Von Rolf Wideroee, Archiv Fuer Elektrotechnik, Band XXI, Heft 4, Dezember 17, 1928. [2] 노벨물리학상 수상 추천문, 스웨덴 왕립과학협회 노벨 물리학위원회 위원장 K.M.G. 시그반. [3] 한국 특허법 제2조 1호. [4] 한국 특허법 제29조 1항 본문. [5] 한국 특허법 제1조. [6] 한국 특허법 제94조. |
