스타워즈와 레이저(3)

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<폭발적인 레이저의 활용분야>

 

레이저가 한번 그 모습을 드러내자, 과학자들은 이 광선의 적용뿐만 아니라 더 효율적으로 만드는 것도 게을리 하지 않았다. 레이저 기술의 응용 분야가 실용화 된 중에서 대표적인 것을 사례대로 간단하게 살펴보자.

 

① 오락분야 : 유명가수들의 공연이나 각종 이벤트에서 레이저의 다채로운 색깔과 움작임이 사람들을 놀라게 한다. 과학관에 지어진 구체의 천문관 내부에 밤하늘의 별이 그대로 새겨지는데 모두 레이저의 힘이다. 총천연색 레이저빔이 개발되어 각종 이벤트나 박람회 등에서 활용되고 있다. 헬륨과 아르곤을 혼합한 고성능 기체 레이저를 사용해 네 가지 색상을 만들어내서 레이저 광선의 영상에 담아 거울로 된 천장에 투사하는 것이다. 이것을 이용하면 극장에서 영화를 보는 것과 같은 효과를 거둘 수 있어 만화 영화 등을 상영할 수도 있다.

현재 레이저가 가장 많이 사용되고 있는 것 중 하나가 광디스크에 이용하는 것이다. 콤팩트디스크는 직경 12cm의 원판 한 면에 44.1KHz의 주파수로 샘플링되고 16비트로 양자화 된 오디오 신호가 한 면에 60분 녹음되어 있다. 콤팩트디스크는 음질이 매우 좋을 뿐만 아니라 먼지나 흠집에 강하고 다루기 쉬운 장점이 있다. 한편 자기 테이프와는 달리 콤팩트디스크는 자료를 지울 수가 없는데 이 분야도 연구가 진행 중이다.

음악을 듣거나 영화를 보는데도 레이저가 사용된다. DC와 DVD의 원리는 디스크 내부에 새겨진 데이터를 레이저 광선이 정밀하게 읽어내 재생하는 것이다. 물론 CD나 DVD가 데이터를 읽지 못해 이른바 튀는 현상이 일어나기도 하는데 이것은 레이저의 잘못이 아니다. 디스크 표면에 이물질이 묻었거나 흠집이 나면 레이저광선이 데이터를 읽어낼 수 없는데 이것은 보관을 잘못했기 때문이다.

 

② TV : 레이저가 이용되는 중요한 부분 중에 하나는 텔레비전 기술에의 응용이다. 레이저빔을 텔레비전의 주사선처럼 수평 방향과 수직 방향으로 피사체 위에 주사하고 그 반사광을 검출하면 피사체의 2차원적 영상을 얻는 방법이 있다. 특히 빨강, 초록, 파랑의 삼색 레이저를 이용하면 칼라 브라운관 형광체의 발광색보다도 채색도가 높다. 또한 이렇게 얻은 전기 신호를 증폭하고 디지털화 하여 반도체 메모리에 기억시키면 보다 고정밀도의 영상을 기록할 수 있다. 특히 줌렌즈와 같은 효과를 이용한다면 카메라 본체를 움직이지 않고 어떠한 범위를 임의의 크기로 관찰할 수 있어 감시 카메라 등에 이용할 수도 있다.

텔레비전 프로그램을 녹화‧재생하는데도 이용할 수 있다. 텔레비전의 빨강, 초록, 파랑 삼색의 신호는 콘트라스트를 강조하는 브라운관에 표시하는 것을 전제로 한다. 레이저를 이용하면 밝은 부분과 어두운 부분의 신호 사이에 더욱 명암이 좋도록 보정할 수 있다. 현재 영화 필름보다 더 좋은 명암이 이루어 질 수 있다는 것이다.

이와 반대의 상황도 가능하다. 영화로부터 텔레비전 영상으로의 전환이다. 이것을 레이저 텔레시네 장치로 부르는데 70mm영화로부터 고품위 텔레비전 신호를 읽어낼 수 있다.

 

③ 사무용품 : 정지 영상을 먼 곳으로 전송하는 전기 통신 방법인 팩시밀리는 현대의 기술 문화의 총아가 되어 있다. 팩시밀리라는 말은 라틴어의 ‘같은 것을 보낸다’라는 뜻의 Facsimile에서 따 온 것이다. 팩시밀리는 송신 측에서 영상의 명암을 시간적으로 변환하는 전기 신호로 변환하여 송전하면 수신 측에서 원래의 영상을 재현시키는 것이다. 이를 레이저를 이용할 경우 밝기가 밝고 100MHz 정도의 대역폭으로 변조가 용이할 뿐만 아니라, 빔의 편향을 고속으로 하므로 전송 속도를 향상시킬 수 있다.

레이저 프린터도 급속하게 보급되고 있다. 기존의 도트형 프린터를 순식간에 대체시킨 레이저 프린터는 레이저빔의 세기를 변조하여 주사‧기록하는 경우 빛이 닿는 부분은 검은색으로 기록된다. 레이저 프린터는 비접촉 프린터이므로 소음이 적고 기록 속도가 빠르다. 스캐너에도 레이저를 이용하고 있으며 레이저 제판 장치도 실용화되고 있다.

 

④ 의료분야 : 레이저를 이용한 의료 기기로 상태가 나쁜 세포를 증발시키거나 파괴할 수 있다. 얼굴의 빨간 얼룩도 지울 수 있으며 동맥 경화와 같은 심각한 질병도 레이저로 치료할 수 있다. 더구나 레이저 수술은 국부 마취로 커다란 수술도 할 수 있으며 눈에 레이저 광선을 쬐어 주변 조직을 상하지 않게 하면서도 늘어난 망막을 재빨리 접합시킬 수 있다.

레이저로 많이 사용되는 분야가 안과다. 과거에 시력이 나쁘면 두터운 안경이나 콘택트렌즈를 사용해야하지만 이산화탄소가 만들어주는 적외선 레이저로 간단하게 고칠 수 있다. 레이저의 개발로 레이저로 치과의 치료도 적용된다. 레이저를 이용하면 이를 전혀 건드리지 않고 손상된 부분만 증발시키므로 치과에서 가장 문제점으로 지적되는 진동을 제거할 수 있다.

의료 진찰용으로 가장 많이 사용되는 X선에도 레이저가 이용되고 있다. X선은 파장이 10-10m 전후의 전자파로서 보통 진공 내를 진행하는 고속의 전자를 금속 전극에 충돌시켜 발생시킨다. 그러나 인체가 X선을 많이 받는 경우 구토, 식욕 부진이 생기고 심한 경우에는 백혈구, 적혈구의 감소 등 심한 부작용이 생긴다. 일년에 1～2회 정도의 건강 진단이라면 별 문제가 없지만 자주 X선에 노출될 때 부작용을 생각하지 않을 수 없다.

그러나 레이저빔을 이용하면 보통의 경우 필요한 X선의 세기가 15mR임에 비해 0.9mR선의 방사능만으로 보다 분해능이 좋은 결과를 얻을 수 있다. 즉 20～30회 정도의 X-RAY 촬영도 가능하며, 더욱 편리한 것은 전기 신호로 읽어낸 영상 정보를 즉시 컴퓨터로 영상 처리가 가능하다는 점이다.

 

⑤ 유통분야 : 슈퍼마켓에서 고객에서 상품을 판매하는 즉시 어떤 상품이 언제, 얼마만큼 판매되었는가, 즉 상품의 동향을 파악할 때 바코드를 사용한다. 이것은 상품에 인쇄된 바코드를 바코드 리더(reader)가 판독하여 그 데이터를 컴퓨터가 처리하는 것이다. 바코드와 바코드 리더는 유통분야의 전산화시스템인 POS(판매시점정보관리)의 핵심기기로 여기에 레이저가 사용된다.

바코드는 레이저가 실용화에 성공하는데 크게 기여했는데 바코드를 이용한 상품은 링글리의 주시프루트 껌이다. 1974년 6월25일, 오하이오주 트로이에 있는 어느 수퍼마켓의 계산대에서 바코드 스케너를 통해 껌 한 통이 통과되었다. ‘삐’하는 작은 소리가 울렸을 뿐이지만 그 순간은 소매업과 물류업의 혁명이 일어나는 순간이었다. 바코드는 혁명을 일으켰다. 대형 수퍼마켓 계산대 앞에서 줄을 서서 기다리는 시간을 획기적으로 단축시켰으며, 언제라도 재고를 한 눈에 파악할 수 있게 되었다.

그런데 이와같이 폭발적인 성장을 거듭한 바코드도 새로운 디지털기술로 인해 위협받고 있다. RFID라고 불리는 전자태그의 출현으로 이것은 바코드의 흑백의 띠보다 훨씬 많은 정보를 담을 수 있는 실리콘칩을 이용한다.

하나의 바코드는 한 종류의 제품을 확인해 주지만 RFID태그는 제품 하나하나를 인식한다. 다시 말해 하나의 바코드가 주시프루트껌이라는 한 종류의 상품을 인식한다면 RFID태그는 껌 한통 한 통을 별개의 존재로 식별시켜준다. 마치 사람마다 고유한 주민등록번호가 있는 거처럼 상품 하나 하나가 고유한 RFID태그를 가지는 것이다. 그래서 공급망을 통해 상품이 전달되는 동안 태그는 자동으로 다시 프로그램되어 그 태그가 붙어있는 제품이 언제 공장에서 출하되었는지, 하역장에서 보관창고까지 움직이는데 얼마나 많은 시간이 걸렸는지, 소매점의 진열대 위에서 얼마나 오래 머물렀는지 등의 정보를 알려주며 유통기간이 지난 물품은 곧바로 폐기처분할 수 있다.

그러나 현재로서는 RFID에 결정적인 단점이 있다. 바로 원가문제이다. 껌 한 통마다 반도체칩을 붙인다면 과연 경제성이 있을까 하는 의문이다.

이 문제를 해결한 사람이 문제는 순천대학교의 조규진 박사이다. 그는 유기물질과 잉크젯 프린터만을 이용해 기존 바코드 생산가보다도 값이 싼 저가형 무선주파수 인식(RFID)태그 칩을 개발했다.

이 칩은 100% 유기물질과 잉크젯 프린터만을 이용해 30㎑ 발진이 가능한 수동형 기술로 유비쿼터스 환경을 만들 수 있는 종이, 플라스틱, 나무 등 모든 기판에 인쇄가 가능한 장점을 갖고 있다.

그런데 RFID태그가 저렴한 가격으로 공급되더라도 레이저 스캐너가 있어야 한다는 것에는 변화가 없다.

 

⑥ 음악과 영화 등 엔터테인먼트

음악을 듣거나 영화를 보는데도 레이저가 사용된다. CD와 DVD의 원리는 디스크 내부에 새겨진 데이터를 레이저 광선이 정밀하게 읽어내 재생하는 것이다. 물론 CD나 DVD가 데이터를 읽지 못해 이른바 튀는 현상이 일어나기도 하는데 이것은 레이저의 잘못이 아니다. 디스크 표면에 이물질이 묻었거나 흠집이 나면 레이저광선이 데이터를 읽어낼 수 없는데 이것은 보관을 잘못했기 때문이다.

유명가수들의 공연이나 각종 이벤트에서 레이저의 다채로운 색깔과 움직임이 사람들을 놀라게 한다. 과학관에 지어진 구체의 천문관 내부에 밤하늘의 별이 그대로 새겨지는데 모두 레이저의 힘이다.

 

⑦ 재료가공분야 : 레이저를 이용하여 금속, 비금속, 세라믹, 보석, 유리 섬유, 플라스틱 등 재료를 절단하거나 구멍을 뚫을 수 있으며 종전에는 불가능했던 금속의 용접도 가능하다. 레이저 가공의 특징은 가공 속도가 빠르며 가공 대상 물질이 기계적인 열적 변형이 일어나지 않는다는 것이다. 이 때문에 초정밀 가공이나 고차원 공정에 이용된다. 특히 4메가D램 이상의 반도체 생산 기술에 레이저 가공 기술이 필수적으로 등장한다.

 

⑧ 통신분야 : 레이저의 장점을 가장 돋보이게 하는 것은 레이저 광선을 반송파로써 통신에 이용하는 것이다. 빛은 라디오 파보다 훨씬 더 많이 구름이나 안개입자나 물방울 또는 먼지에 의해 간섭을 받지않는다. 따라서 대기를 통한 교신이 가능한 것이다. 더구나 레이저는 텔레비전이나 라디오의 신호를 변조시켜 통신으로 이어주는데 통신위성으로부터 발송되는 약한 신호를 약 1만 배 이상 증폭시킬 수 있다. 이것이 뜻하는 것을 독자들에게 굳이 설명할 필요가 없으리라고 생각한다.

전화로 통화하거나 인터넷을 사용할 때도 레이저는 획기적 능력을 발휘한다. 한국의 초고속망 핵심은 광섬유다. 광섬유는 굴절률이 큰 유리로 만든 코어섬유의 바깥을 굴절률이 낮은 유리로 코팅한 것이다. 코어섬유의 두께는 대략 10마이크로미터 정도로 가늘기 때문에 실처럼 쉽게 휜다. 이러한 광섬유에 외부를 보호하기 위한 얇은 플라스틱 수지와 나일론이나 폴리에틸렌으로 만든 피복을 입혀서 다발로 묶은 것이 바로 광케이블이다.

 

광섬유는 전반사(全反射)라는 특별한 광학 현상을 이용한다. 빛은 굴절률이 서로 다른 경계면에 닿으면 진행방향이 바뀌며 휘어진다. 그런데 굴절률이 큰 물질에서 굴절률이 작은 물질 쪽으로 빛이 쪼여지면 특별한 광학 현상이 일어난다. 경계면에 도달한 모든 빛이 굴절되지 않고 반사되는 경우가 생기는 것이다. 다시 말하면 광섬유는 섬유가 어느 정도 휘어지더라도 내부에서 전반사가 일어나도록 만든 것이다. 그렇게 되면 광섬유 속으로 들어간 빛은 광섬유의 반대쪽 끝에 도달할 때까지 밖으로 새어나오지 못한다. 물론 유리에 불순물이 섞여 있거나 코팅이 완벽하지 않으면 빛의 손실이 생기지만 이 문제는 현재 상당 부분 보완된 단계다. 요즘에는 무거운 유리 대신 가벼운 플라스틱으로 만든 광섬유도 등장했다. 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스타이렌, 폴리카보네이트 등으로 만든 플라스틱 광섬유는 값도 싸고 더 유연하다는 장점이 있다. 그러나 유리 광섬유보다는 아직 빛의 손실이 더 크기 때문에 건물의 내부 통신선로에 주로 이용된다.

 

광섬유를 사용하면 많은 양의 정보를 초고속으로 전송할 수 있다. 유도전류 때문에 잡음이 생기고 도청이 가능한 전류를 이용한 통신과는 달리 광섬유를 이용한 통신은 보안 유지에도 뛰어난 장점이 있다. 또한 광섬유의 재료가 되는 유리는 가격이 저렴하며 무게도 치명적일 정도는 아니다. 비교 대상인 구리에 비해 무게가 7퍼센트 정도다.

 

광섬유를 이용하는 광통신은 아주 엷은 유리섬유를 이용하여 레이저빛 신호를 전송하는 방식으로 어마어마한 양의 데이트를 보통 통신선보다 25배 빠른 속도로 전송할 수 있다. 실리카(SiO2)를 순수하게 정화해 그것을 지름 200μ 이하의 가느다란 섬유에 넣으면 일정한 파장의 광자들이 별다른 변화나 손실 없이 몇 킬로미터를 여행할 수 있다. 게다가 굴절률이 실리카와 비슷한 물질로 이 섬유에 피복을 입히는 간단한 조치만으로도 장거리 여행이 가능하므로 레이저가 통신분야에 폭발적으로 보급될 수 있다.

 

⑨ 공학 분야 : 레이저는 금속판, 종이, 유리, 플라스틱, 직물 등 연속 제조되는 공정에서 소재에 포함되어 있는 이물질과 공정 과정의 처리 불량을 즉각적으로 판독하여 불량률을 줄이는 데도 사용된다. 지금까지는 사람이 육안으로 검안하였기 때문에 제품의 제조 속도를 떨어트렸는데 레이저를 이용하면 이를 방지할 수 있다. 일반적으로 표면 검사를 할 때는 제품의 이동 방향과 직각 방향으로 세기가 일정한 광선을 편향시켜 표면으로부터의 반사광의 이상을 검출하는 방법을 사용한다. 그러나 일반적으로 시료의 표면은 시료에 따라 특유의 구조를 갖고 있기 때문에 반사율 측정만으로는 오차가 발생하기 쉬운데 레이저를 사용하면 표면의 이상 유무를 매우 높은 정확도로 알 수 있다. 또한 비행기를 제작할 때나 교량이나 건물을 건설할 때에 구조물 안에 광섬유를 내장하여 구조물의 긴장 및 부하와 마모 정도를 계속 추적할 수도 있다.

 

⑩ 스포츠 및 훈련

군에서 총에 레이저 발사장치, 전투복에 감응장치를 부착하고 훈련한다. 서바이벌 게임에 응용되는데 이는 실제 총탄을 쏘지 않고 명중여부를 확인할 수 있기 때문이다. 

 

⑪ 학문

고대 문명을 연구하는 데에도 레이저가 사용된다. 오지를 직접 가거나 헤치며 다니지 않아도 훨씬 정밀하고 많은 지형데이터를 얻을 수 있다. 특히 세미나나 강의 때 교수가 레이저를 이용하여 화면의 특정 부위를 가리키며 강조하는 것이 낮설지 않다.