우리가 몰랐던 레이저 이야기
- 편집팀
- 2월 16일
- 4분 분량
들어가는 말
발표 등을 해보았거나 평소에 공학쪽에 익숙한 사람이라면 레이저라는 단어를 많이 들어보았을 것입니다. 단지 그런 이유뿐만 아니더라도, 현재 우리의 삶에서 레이저가 차지하는 비중은 점점 더 늘어나고 있습니다. 피부과나 성형외과에서 피부 잡티 제거 등 미용 목적으로 활용하기도 하고, 안과나 외과에서 절개 수술시 의료용으로 사용하기도 합니다. 또한 학교나 연구소에서 과학실험 목적으로 활용하기도 합니다. 심지어 산업 현장에서 자재 절단 및 가공에도 사용되며, 군용으로도 일부 사용됩니다. 하지만 이렇게 레이저가 실생활과 산업에서 다방면으로 활용됨에도 불구하고, 보통 사람들은 레이저의 원리나 역사, 성질등에 대해 잘 알지 못하는 경우가 많습니다. 이에 저는 이 기사를 통해 레이저의 역사와 특성, 그리고 앞으로의 이용가능성에 대해 다루어보고자 합니다.
레이저의 역사
먼저 레이저(laser)라는 단어는 Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation(복사 유도 방출에 의한 광증폭)이라는 단어의 줄임말로, 원래는 광증폭, 즉 빛의 증폭이라는 물리적 현상을 이르는 말이었습니다. 일상적으로는 이 빛의 증폭을 이용하여 만들어진 강하고, 멀리 전달되며, 퍼지지 않는 단색광, 즉 한가지 색의 빛으로 이루어진 빔을 간단히 레이저라고 부릅니다.
레이저의 이론적 기반은 20세기에 이미 마련되었습니다. 아인슈타인이 유도 방출 현상을 예측하며 레이저 기술의 기반을 만든 것입니다. 그로부터 약 22년 후에 발렌틴 파브렌트가 아인슈타인이 예측한 유도방출을 이용해 광증폭을 시키는 것을 이론화하였습니다. 20년 후, 고든 굴드가 20년 전 기술력 부족으로 실현되지 못했던 유도 방출을 광증폭에 사용하는 것을 다시 제안했습니다. 동시에 그는 간섭광을 이용한 좁은 빔을 만드는 광학 공명기를 설계했고, 이를 LASER라고 이름 붙입니다. 그 다음해인 1960년, 시어도어 메이먼이 합성루비를 이용한 레이저의 프로토타입을 만들어 실험에 성공함으로써 레이저는 세상에 탄생하게 되었습니다. 그렇다면 레이저의 원리는 무엇일까요?
레이저의 원리
레이저는 기본적으로 재료의 에너지 상태를 이용합니다. 더 자세히 설명하자면, 레이저 재료를 구성하고 있는 원자들이 에너지를 받아 ‘들뜬 상태’가 된 후 에너지를 잃어 ‘바닥 상태’가 되었을 때 빛을 방출하는데, 이 빛을 내는 현상을 자연 방출이라고 부릅니다. 그러나 이런 자연적인 방출에 의한 빛은 빛의 위상과 파장이 각기 달라 잘 퍼지고, 멀리 가지 못합니다. 이를 해결하기 위해 레이저는 원자가 자연 방출하는 빛과 동일한 파장의 빛을 원자와 충돌시켜 파장과 위상, 진행방향이 동일한 빛을 방출시키는데, 이를 유도 방출이라고 합니다. 레이저는 이 유도 방출을 이용하여 우리가 이용하는 광선을 만들어내게 됩니다. 일반적인, 즉 매질을 사용하는 레이저의 경우, 유도 방출과 더불어 광공진기라는 장치를 이용합니다. 광공진기는 거울들을 배열함으로써 그 거울들에 반사되는 빛이 마디의 위치가 고정된 파동, 정상파를 이루도록 하는 장치입니다. 많은 레이저는 광공진기를 사용하며 아래와 같은 구조를 지닙니다.
그림에서 볼 수 있듯이, 광공진기는 한쪽은 거울, 다른 한쪽은 부분거울을 사용하며, 광공진기 내부를 왕복하며 정상파를 이룬 레이저광선은 부분거울을 통과해 우리가 사용하는 레이저 광선이 됩니다. 이때 광공진기 내부에는 이득 매질이라고 부르는 레이저의 기본이 되는 물질이 존재합니다. 주로 우리는 이 이득 매질의 형태로 레이저를 구분합니다.
레이저의 종류
다음으로 레이저의 종류에 대해 알아보겠습니다. 레이저에는 고체 레이저, 가스 레이저, 반도체 레이저, 색소 레이저, 광섬유 레이저, 화학 레이저 등이 있습니다. 레이저를 구분하는 기준은 앞서 설명드렸듯이 이득 매질의 형태이며, 고체를 이득 매질로 하는 레이저는 고체 레이저, 가스를 이득 매질로 하는 레이저는 가스 레이저 같은 방식으로 이름을 짓습니다. 각 종류의 레이저에는 저마다 고유한 특성이 있습니다. 지금부터는 그 특성에 대해 알아보려고 합니다.
먼저 고체 레이저에 대해 알아보도록 하겠습니다. 고체 레이저는 가장 먼저 개발된 레이저 중 하나입니다. 고체 레이저는 이름에서도 알 수 있듯이 루비 등 고체를 이득 매질로 하는 레이저이고, 고체의 종류에 따라 다시 세부적으로 나뉘어집니다. 여기서는 가장 대표적인 고체 레이저들인 루비 레이저와 네오디뮴 레이저에 대해 살펴보겠습니다. 루비 레이저는 가장 처음 만들어진 레이저로써 루비 속에 들어있는 크롬 원자에 의해서 루비를 사용한 레이저의 색은 붉은빛을 띠게 됩니다. 네오디뮴 레이저는 이름에서도 알 수 있듯 네오디뮴 원소를 포함하고 있습니다. 하지만 네오디뮴 레이저는 루비와 달리 한 종류의 레이저만을 지칭하지는 않습니다. 레이저를 만들 때 네오디뮴 외에 다른 물질을 섞어서 만들기 때문인데요. 현재 가장 일반적으로 사용되는 형태는 네오디뮴에 YAG(yittrium lithium fluride)라는 결정을 섞어서 제조한 것입니다. 네오디뮴-YAG 레이저는 기본적으로 적외선 영역의 파장을 가지고 있습니다. 두번째로 다룰 가스 레이저는 이득 매질인 가스의 특성 상 대부분 유리관 등의 용기를 사용하여 가스를 가두어 사용하고, 보통 기체방전이라는 현상을 이용합니다. 가스 레이저 또한 가스의 종류에 따라 나뉘어지는데, 대표적으로 헬륨-네온 레이저, 이산화탄소 레이저가 있습니다. 헬륨-네온 레이저는 현재 가장 대중적으로 사용되고 있는 레이저이며, 632.8nm의 파장을 가집니다. 이산화탄소 레이저는 많은 분야에서 다용도로 활용되며, 가스는 이산화탄소, 질소, 헬륨의 혼합체를 사용합니다. 이 중에서 이산화탄소가 빛을 방출하는 빛 방사체 역할을 하게 됩니다. 가스 레이저는 고체 레이저에 비해 내구성이 떨어지고 수명이 짧지만, 저렴하다는 장점이 있습니다. 세번째로 다룰 레이저는 색소레이저입니다. 색소 레이저는 우리가 의류를 염색할 때 사용하는 염료를 에탄올 등에 혼합한 액체를 이득매질로 사용합니다. 염료의 농도 조절로 레이저의 파장을 변화시킬 수 있어 분광학에 널리 이용되지만, 외부요인에 의한 손상이 쉽고, 유지보수가 어려워 실용성이 떨어집니다. 네번째는 광섬유 레이저입니다. 이 레이저는 광섬유 코어에 희토류의 입자등을 코팅하여 희토류 이온의 전자가 들뜨는 현상을 이용해 빛을 증폭하는 방식이며, 주로 광섬유 장거리 통신에서 손실되는 빛을 보충하는 목적으로 사용됩니다. 가장 흔한 것은 어븀이라는 희토류를 코팅한 레이저이며, 이는 주로 광섬유 통신에 쓰입니다. 마지막으로 다룰 레이저는 화학 레이저입니다. 이름에서도 알 수 있듯이, 이 종류의 레이저들은 화학 반응을 이용해서 빛을 내는 레이저이고, 고출력의 레이저를 연속해서 낼 수 있기에 미사일 요격등의 용도로 쓰이는 군용 레이저로 연구되고 있었습니다. 하지만 사용하는 화학약품이 독성이 강하고, 폭발등의 위험을 가지고 있어 현재는 개발 및 실험이 중단된 상태입니다. 화학 레이저에는 불화수소 레이저, 불화중수소 레이저등이 있는데, 불화수소는 대기권 외부에서의 사용에 적합하고, 불화중수소 레이저는 공기중에서의 사용에 적합합니다.
앞으로의 활용방안
이렇듯 레이저는 여러가지 형태가 있으며, 각 레이저는 저마다의 특별한 쓰임새를 가지고 있습니다. 그렇다면 앞으로 우리는 레이저를 어떻게 이용할 수 있을까요? 미래 사희에서 레이저는 산업 생산이나 과학 연구에서 더욱 더 중심적인 위치를 차지할 것입니다. 구체적인 예시는 현재도 꾸준히 연구되고 있는 반도체 n나노 공정 상용화를 위한 매우 짧은 파장을 가진 UV레이저, 핵융합등의 과학 실험에 사용되는 NIF, ELI 같은 레이저 시설, 미사일이나 적 비행기를 요격할 때 사용되는 군용 레이저 등을 들수 있습니다. 이 외에도 용접에 레이저를 도입하려는 시도가 진행중이며, 레이저를 이용한 CNC커팅 같은 이용방안이 산업 분야에서 나올 수 있습니다. 의료 분야에서는 혈관 내 광섬유 삽입을 이용한 무절개 레이저 치료 또한 연구되고 있습니다. 이렇듯 레이저는 우리삶의 많은 분야에서 영향을 미치고 있고, 앞으로의 세상에서 그 영향력은 더더욱 늘어날 것입니다.
끝맺는 말
이번 기사에서는 우리 생활 속에서 널리 사용되는 레이저에 대해 알아보았습니다. 기사 자료를 조사하며 레이저는 우리가 자주 접하지만 의외로 레이저의 종류나 역사가 사람들에게 많이 알려지지 않았다는 점을 깨닫게 되었습니다. 저도 또한 이번 기사를 쓰면서 레이저의 종류에 대해 새롭게 알게 된 내용이 많았던 만큼, 이 기사가 사람들이 레이저에 대한 정보를 얻으며 관심을 가지게 되는 통로가 되고, 더 나아가 과학 그 자체에 흥미를 가지는 사람들을 만들 수 있었으면 좋겠습니다. 읽어주셔서 감사합니다.
하현민 학생기자 | Physics & Earth Science | 지식더하기
참고자료
[1] 네이버 지식백과(https://terms.naver.com)
[2] 네이버 블로그 (https://lrl.kr/oMHs)
첨부 이미지 출처
[1] 네이버 블로그(https://lrl.kr/NXmQ)
[2] 네이버 블로그 (https://lrl.kr/gocB)
[3] 네이버 블로그 (https://lrl.kr/kAyg)
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