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미래로 가는 기술 ‘레이저(LASER)’

  • 2015.07.01.
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지난 2010년 말 IBM은 ‘향후 5년간 일어날 5대 혁신기술(Next Five in Five)’보고서를 발표했었습니다. 이중 제일 처음 나온 기술은 3차원 동영상 홀로그램 통화 휴대폰 및 노트북이었습니다. 빛을 통해 입체적으로 재현된 사람의 영상을 보는 것이 가능한 휴대폰과 노트북이 나온다는 것인데. 이는 ‘레이저’ 기술이 있기 때문에 가능한 일이기도 합니다.

오늘날 흔하게 들을 수 있는 ‘레이저’는 오늘날 일상생활 속 여러 곳에 쓰이며 없어서는 안 될 기술로 자리 잡게 되었습니다.
만약 레이저 기술이 없다면 난치병 치료, 뛰어난 성형기술 그리고 물건값을 빠르게 계산할 수도 없습니다.

이토록 많은 곳에 쓰이는 레이저는 정확히 무엇일까요? 오늘은 레이저에 대해서 알아보려 합니다.

 

레이저를 만들다

 

◆ 레이저를 만들다

레이저(LASER; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’는 자연에서는 얻을 수 없는 시간과 공간상에서 매우 높은 *간섭성을 갖는 인공 빛을 이야기합니다. 일반 빛과 달리 직진성, 단색성, 간섭성, *고휘도성의 네 가지 특성을 가지고 있습니다.

레이저 기술이 가능하게 된 것은 알베르트 아인슈타인이 1917년 ‘유도방출 이론’을 제안하면서부터 시작이 되었습니다. 이후 1960년 미국의 물리학자 ‘시어도어 메이먼’이 최초로 레이저 발진장치의 발명에 성공하였습니다.

메이먼이 발명한 레이저 발진장치는 합성보석 루비를 이용한 고체 레이저로, 태양 표면에서 방출되는 빛보다 백만 배 이상 밝은 붉은 색 빛이었습니다. 이후 레이저 기술은 계속해서 발전했으며 이 기술을 연구한 여러 과학자들이 노벨상을 수상하였습니다.

 

◆ 레이저의 특징

레이저는 일반 빛과는 달리 공간, 시간, 주파수 세 영역에서 독특한 성질을 가지고 있습니다. 공간영역에서는 아주 작은 지점에 빛을 모을 수 있고 시간영역에서는 매우 짧은 시간 간격을 갖는 *펄스를 발생시킬 수 있습니다. 주파수 영역에서는 아주 순수한 색의 빛을 만들 수 있습니다. 각 영역에서 레이저가 보이는 이러한 특징은 실생활에 많이 사용되고 있는 레이저 응용 기술을 예로 들어서 알아보겠습니다.

 

*간섭성 : 두 개의 파동이 겹쳤을 때 간섭을 일으킬 수 있는 성질을 말합니다.
*고휘도성 : 매우 밝은 성질을 이야기합니다.
*펄스 : 짧은 시간만 흐르는 전류를 가리켜 말하며, 레이저에서는 빛이 한 번 깜박할 때의 시간 간격을 의미합니다.

 

◆ 공간영역에서의 레이저 – 바코드 스캐너

일상생활에서 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 레이저 기술은 ‘바코드’입니다. 바코드 스캐너가 바코드를 읽을 때 가늘고 긴 붉은 빛이 바코드를 지나면서 바코드선 사이의 간격을 통해서 정보를 읽는데 이때 길게보이는 레이저선은 사실 붉은 점이 아주 빠른 속도로 좌우로 움직이는데 이것이 우리 눈에는 가늘고 긴 선형태의 붉은 빛으로 보이는 것입니다.

바코드 스캐너의 빛점은 빛을 내는 광원으로부터 수에서 수십cm 떨어진 곳에서 맺혀야 하는데 레이저는 일반 빛보다 공간의 아주 작은 한 지점으로 빛을 모으는 능력이 훨씬 뛰어나기 때문에 레이저의 이런 특성을 이용해서 바코드 스캐너의 작동이 가능합니다.

 

광케이블을 이용

 

◆ 시간 영역에서의 레이저 – 광케이블을 통한 대용량 데이터 전송

지금 이 순간도 인터넷과 무선 통신을 통해 어마어마한 양의 데이터들이 빛의 속도로 전송되고 있다. 얼마나 빠른지 이름도 광랜입니다. 초대용량의 데이터들은 바다의 해저 광케이블을 통해 미국, 유럽 등 전 대륙을 거치며 끊임없이 전송되고 있습니다. 여기서 잠깐 궁금증 해저 광케이블을 통해서 교환되는 데이터의 양은 얼마나 될까요?

2009년 전 세계 데이터 소비량은 약 30Tbit/s(테라비츠/초)였습니다. 이 양은 1초 동안 데이터를 전송하기 위해 사용되는 0과 1이 30조 개나 된다는 것을 의미합니다. 같은해 일본 통신회사인 KDDI의 연구소는 전 세계 디지털 데이터 소비량인 30Tbit/s를 단 하나의 광케이블로 전송할 수 있는 기술을 개발하기도 하였습니다.

이 기술을 이용하면 전 세계에서 사용하고 있는 모든 데이터들을 머리카락보다도 더 가는 단 한 가닥의 광섬유에 실을 수 있는 것입니다. 짧은 펄스를 아주 먼 곳까지 보낼 수 있는 레이저의 능력은 지구 반대편 사람들이 얼굴을 맞대고 대화할 수 있게 하였습니다. 또한 많은 양의 데이터를 빠른 시간 안에 보낼 수 있게 만들었습니다. 이 두 능력을 이용한 초고속 통신용 레이저 기술은 초정밀 영상 전송 기술이 필요한 원격 의료 수술을 가능하게 해주었습니다.

 

◆ 레이저를 통해 시·공간을 연구하는 시대

레이저가 시간, 공간, 주파수 영역에서 보이는 능력을 종합하면 매우 짧은 펄스로 아주 작은 지점에 레이저 빛을 모을 수 있습니다. 이 빛은 상상할 수 없을 정도로 강한 세기를 가지는데, 현재 인간은 ‘초고출력 레이저 기술’을 통해서 1PW(페타와트, 1015W)의 출력을 가진 빛을 만들 수 있습니다.

PW의 출력은 현재 지구상의 모든 발전소에서 만들어내는 출력의 무려 67배에 해당하는 엄청난 출력입니다. 만약 미래세계에 빛의 출력이 PW의 1,000배인 EW(엑사와트, 1018)나 EW의 1,000배인 ZW(제타와트,1021)의 영역으로 발전하게 된다면 어떨까. 시간과 공간 속에 존재하는 물질을 연구하는 현대 과학의 단계를 넘어서 시간과 공간 자체를 연구하는 ‘시ㆍ공간 극한 과학 기술’인 미래 과학기술 시대가 열릴지도 모르겠습니다.

이처럼 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 레이저는 사실 수많은 연구와 실험 속에서 발전해온 기술이라고 할 수 있습니다. 비록 지금은 너무 흔한 기술이라고 생각할지 모르겠지만 아직도 연구가 계속되고 있는 만큼 지속적으로 발전하여 지금처럼 유용하게 사용되기를 바랍니다.

 

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