1960년대 레이저의 발견으로 급격히 진전된 광기술은 의료분야 영상기기 재료가공에는 물론 광통신 광컴퓨터 등 정보처리분야에까지 폭넓게 사용되고 있다.
여러가지 산업 가운데 빛에 가장 크게 의존하는 산업은 농업일 것이다. 태양광이든 인공광이든 빛이 없으면 곡식농사도, 야채나 과일도, 그리고 원예작물도 재배할 수 없다.
멀지 않은 과거에 봉홧불이 통신수단으로 사용되었으며 오늘날에는 광통신을 비롯하여 TV 비디오 영화 슬라이드 등의 최신 정보매체에서 빛이 중요한 역할을 하고 있다. 정보산업에서 뿐만 아니라 많은 공장에서의 생산 자동화에 광기술이 활용되고 있으며 반도체산업, 자동차산업, 군수산업에서도 레이저를 포함한 광기술이 폭넓게 응용되고 있다.
최근에는 레이저광의 발견으로 강력한 레이저광을 이용하여 소규모 인공태양을 만들려는 핵융합연구가 추진되고 있으며 미국에서 추진하고 있는 전략방위구상에서도 레이저광은 핵무기를 무력화시킬 수 있는 수단으로서 연구되고 있는 실정이다.
빛을 가장 광범위하게 이용하는 분야는 역시 조명산업이다. 조명관계는 뒤에서 별도로 다루었으므로 여기서는 생략한다.
빛산업의 시초는 거울
평면경은 아마도 인류가 최초로 사용한 광학기기 중의 하나일 것이다. 처음에는 잔잔한 수면에 비친 영상을 보았을 것이고 다음에는 매끈하게 연마된 금속면을 거울로 사용하였을 것이다. 오늘날에도 평면경은 여성들의 화장용 거울만이 아니고 산업기기에도 널리 사용된다. 자동차에 부착되어 후방을 볼 수 있게 해주는 평면경도 있으며 잠수함이나 탱크에 부착되어 밖을 관찰할 수 있게 해주는 평면반사경도 있다. 또한 레이저발진기에서 공진기 거울로도 사용된다.
사진기는 대표적인 가시광 결상기기이다. 흑백사진에서 천연색사진으로 발전하였고 최근에는 광센서를 이용한 자동노출장치, 자동거리조절장치가 부착된다. 렌즈의 초점거리를 연속적으로 조절함으로써 영상의 확대배율을 조절할 수 있는 줌렌즈도 일반화되고 있다. 우리나라에는 여러군데의 카메라 생산 회사가 있으며 세계 교환렌즈 시장의 5분의 1정도를 차지하는 단일회사도 있다.
카메라가 상을 필름에 기록하는 광학기기인데 비해 기록된 상을 스크린에 재생하는 광학기기인 환등기나 영사기에서도 카메라와 유사한 기술들이 응용된다. 자동거리조절, 자동배율조절 등이 그것이다. 인쇄에서도 사진 기술이 활용되고 있다. 또한 복사기에서는 영상을 필름에 기록하는 대신에, 광전도성 재질에 영상을 노출시켜 노출된 부분만 정전하가 방전되고 정전하가 남아 있는 부분에 토너를 뭍게 하여 토너를 흰종이에 전사함으로써 영상을 기록, 재생하는 과정을 일괄 공정으로 수행한다.
의료분야에서도 영상기기가 많이 사용된다. 근시 원시 또는 난시를 가진 사람이 잘 볼 수 있게 해주는 안경을 비롯하여 눈의 수정체를 대신해주는 조그마한 안내렌즈를 인공수정체로 사용하기도 하며 위나 장의 내벽을 관찰하기 위한 내시경도 활용되고 있다.
자원탐사에도 활용
적외선 결상(結像)기기는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 한가지 방식은 적외선으로 조명된 물체의 반사율이 서로 다른 것을 이용하여 밝고 어두운 영상을 얻는 방식이고, 다른 한가지 방식은 물체의 온도 분포와 복사율이 서로 다르기 때문에 생기는 적외선 복사강도의 차이를 이용하여 영상을 얻는 것이다. 후자의 방식을 이용하는 장비를 보통 열상장비라 부른다.
항공기에서 지표를 관찰하는 항공사진에서도 적외선 결상기기가 활용되고 있으며 인공위성에서 여러 파장의 적외선을 이용하여 영상을 얻음으로써 농작물의 생장현황을 알 수 있으며 광물 자원탐사, 바닷물의 온도 분포와 오염 정도 등에 대한 정보를 얻을 수 있다.
군사용으로는 야간관측장비에 적외선 결상기기가 쓰이고 있다. 휴대용의 야시경은 쌍안경과 유사한 구조를 가지고 있으나 주로 적외선에 민감하다는 차이점이 있다. 약한 적외선 영상을 밝은 가시광 영상으로 바꾸어 주기 위한 영상증폭관이 내장되어 있다. 적외선 야시장비를 휴대한 쪽은 야간에도 환히 보면서 작전을 수행하게 되는 데 반해서 야시장비가 없는 쪽은 깜깜한 암흑 속에서 작전을 수행하게 되므로 형세에 현격한 차이가 날 수밖에 없다. 얼룩무늬 위장복을 입으면 숲 속에 있을 때 잘 발견되지 않는 것처럼 야간관측장비에 대해 위장하기 위해서는 복장의 적외선 반사율을 수풀과 비슷하게 해주는 방식이 사용되고 있다.
온도분포를 영상으로 관찰할 수 있는 열상장비는 군사적으로 활용될 뿐만 아니라 산업분야와 의료분야에서도 활용되고 있다. 건물의 단열 성능을 검사하기 위해 열상장비로 온도 분포를 측정하면 단열이 잘 안되는 곳이 밝게 나타나게 된다. 고압선에서 눈에 보이지 않게 누설 전류가 흐를 경우 그 부분의 온도가 높아지므로 열상장비를 이용하여 멀리서 비접촉 방식으로 탐지할 수 있다. 또한 인체를 열상장비로 관찰함으로써 이상적으로 발열되는 부분을 찾을 수 있으므로 질병의 진단에 활용할 수 있다.
전기신호를 광학적 영상으로
전자영상기기에서는 물체의 광학적인 상을 전기적 신호로 전환하고 다시 전기적 신호를 눈으로 볼 수 있는 광학적 영상으로 전환하는 과정을 거친다. TV의 경우에는 TV 카메라가 영상을 전기적 신호로 바꾸어 주고 전기적 신호가 방송전파로 전달되며 TV수신기에서는 수신된 전기신호가 브라운관에 의해 가시광 명암의 스크린 영상으로 변환된다. 비디오장치에서도 비디오 카메라가 광학적 영상신호를 전기적 신호로 바꾸어 테이프에 기록하며 기록된 신호는 VTR에서 재생시 광학적인 영상으로 전환된다. 컴퓨터 모니터의 경우에는 광학적인 영상신호를 받아들이지 않고서도 임의의 전기적 신호를 구성하여 모니터에 현시함으로써 광학적 영상을 얻을 수 있다.
컴퓨터와 영상입력장치(광학신호를 전기신호로 변환), 영상출력장치(전기신호를 광학신호로 변환)를 연결 사용함으로써 영상에 포함되어 있는 잡음이나 필요치 않은 부분을 제거할 수 있고, 특정한 부분을 강조할 수도 있으며 컬러를 변조시킬 수도 있다. 이외에도 영상과 영상을 중첩시킬 수 있는 등 여러가지 방식의 영상처리가 가능하다.
전자영상기기는 하드웨어와 소프트웨어의 발전에 힘입어 디지털 영상처리, 고화질 TV(HDTV), 카메라와 VTR이 합쳐진 기능의 캠코더, 평판 TV, 그리고 스틸비디오카메라(SVC) 등의 첨단제품들이 개발되고 있다.
삼차원 영상
홀로그래피 방법에 의한 삼차원 영상의 기록과 재생은 레이저의 발견으로 인하여 각광을 받게 되었다. 레이저광은 간섭특성이 대단히 좋으므로 일반 광원으로는 불가능한 정도의 간섭무늬도 쉽게 만들 수 있다. (그림 1)에 홀로그래피 방식에 의한 상의 기록과 재생원리가 설명되어 있다. 평면파의 일부는 거울에서 반사되어 사진건판에 도달하며 평면파의 또 다른 일부는 물체에서 반사되어 사진건판에 도달한다.
사진건판에는 거울에서 반사된 기준파와 물체에서 반사된 물체파가 중첩되어 간섭을 일으킨 간섭무늬가 기록된다. 이 간섭무늬는 두 파의 진폭정보와 함께 위상정보도 포함한다. 간섭무늬가 기록된 사진건판을 현상, 정착한 다음 원래 위치에 놓고 물체를 치워버린 채로 기준파 만을 비춰주면 (그림 1)에서와 같이 본래 물체가 있던 위치에 허상이 있는 것처럼 빛이 퍼져나가기 때문에 눈으로 3차원 영상을 관찰할 수 있게 되며 눈의 위치를 전후좌우로 움직임으로써 물체의 보이는 부분이 달라진다. 재생시에 홀로그램 건판에 대칭되는 위치에 물체의 실상도 생긴다.
물체에 대한 간섭무늬를 한번 기록한 다음에 동일한 사진건판에 물체가 약간 변형된 다음의 간섭무늬를 함께 기록하는 이중노출법을 사용하여 홀로그램을 만들면, 재생시에 물체의 3차원 영상과 함께 미소변형의 크기에 따른 등고선 무늬가 나타난다. 이러한 이중노출 또는 다중노출 방법을 써서 빛의 파장의 미소변형을 측정할 수 있다.
홀로그래피를 응용한 광학적 유형인식 방법으로 지문감식, 문자식별, 도형인식 등이 가능하다. 홀로그래피 방식의 정보처리 기술은 초고속 광학컴퓨터를 개발하기 위한 연구에 응용되고 있다.
레이저와 광통신
레이저광은 지향성이 좋고 간섭성이 뛰어나기 때문에 여러가지 측정에 응용되고 있다.
대기공간에 존재하는 공해물질의 분포를 측정하려면 파장을 바꿀 수 있는 펄스 레이저가 이용된다. 파장정보로부터 물질의 성분을 알고 펄스가 돌아오는 시간 간격으로부터 거리를 알 수 있으므로 공해물질의 공간분포를 원격 측정할 수 있다.
광섬유에 레이저광을 통과시켜 보내고 돌아오는 광의 편광특성, 강도변화를 조사함으로써 멀리 떨어진 지점의 온도 전류 전압 압력 진동 등도 측정할 수 있다. 광섬유 응용계측은 전기적 신호로 측정하는 방식에 비해 전자기 잡음을 타지 않기 때문에 변전소나 전동기 부근에서 정밀측정이 가능하다. 또한 전기스파크에 의해 폭발 위험이 있는 가연성 물질이 있는 곳에서도 전선없이 광섬유로 안전하게 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다.
레이저와 광섬유를 이용하는 광통신 방식은 기존의 전자공학적 방식에 비해 많은 용량을 처리할 수 있으며 전자파의 방해를 받지 않는 등의 장점을 가지고 있다. 따라서 각종 레이저의 출현과 광섬유의 발달을 통하여 기존의 전자공학적 통신방식의 한계를 극복하려는 연구가 활발히 추진되고 있으며 광통신산업의 시장규모도 급격히 팽창될 것으로 전망된다.
미국 일본 등 선진국에서는 이미 상용화되고 있는 전화국간의 광전송시스템 뿐만 아니라 가입자망, LAN(Local Area Network) 등에 광통신기술을 적용하기 위해 노력하고 있다. 국내에서도 전화국간 통신중계시스템 일부에 1980년대 중반부터 광통신을 사용하고 있다. 장파장 레이저 다이오드 등의 통신소자의 개발연구도 전자통신연구소를 중심으로 수행되고 있다. 최근에 선진국에서는 수 펨토 초(1fs＝${10}^{-15}$S)의 펄스 레이저개발에 성공하였으며 국내에서도 한국표준연구소에서 펨토 초 레이저발진에 성공하였다. 이러한 극초단 펄스레이저는 초고속 반도체소자의 스위칭 속도측정 등의 초고속현상 연구에 응용되고 있다.
광합성도 일종의 광화학반응
빛은 에너지를 가지고 있으므로 어떤 물질이 빛을 흡수하면 그 물질은 에너지가 높은 상태로 여기된다. 빛을 받지 않은 상태에서는 안정된 분자가 빛을 받아 활성화되어 화학반응을 일으킬 때 이를 광화학반응이라 한다. 광화학반응에서는 새로운 화합물의 합성, 분자구조의 변화, 분자의 해리, 전리 등 여러가지 반응이 일어난다.
최근 연구가 진전되고 있는 식물의 광합성 작용도 광에너지를 받아 물질을 합성해내는 광화학반응이다. 광화학반응은 주로 화학공정에서 활용되며 특히 반도체산업에서의 박막가공 또는 레이저 유기 광화학반응에 의한 회로인쇄에 대한 연구가 수행되고 있다. 포토리지스트 재료가 노광에 의해 특성이 달라지는 것을 이용하여 반도체집적회로를 만드는 것도 광화학반응의 응용이다. 사진의 노출 현상 정착과정에서도 광화학반응이 활용되고 있다.
오래전부터 의료분야에서는 자외선을 살균에 이용하였고 황달을 치료하기 위해 자외선을 사용하기도 하였다. 최근에는 레이저의 개발로 그 응용범위가 크게 확대되었다. 수술용으로 레이저광을 집속하여 사용하면 실핏줄을 봉합시킬 수 있으므로 무혈수술이 가능하며 뇌세포나 장기에 발생된 암세포에 레이저광을 집속시켜 암세포를 파괴시키기도 한다. 안과에서는 망막이 떨어졌을 때 제 위치에 접합시키기 위해 레이저광을 이용하기도 한다. 레이저는 파장을 적절히 선택함으로써 주위 세포에는 영향을 주지 않고 악성종양 만을 태워버릴 수 있는 등의 장점이 있으며 회복이 빠른 것으로 보고되고 있다.
빛을 통한 재료 가공
고출력 레이저의 출현으로 인하여 레이저를 이용한 재료가공 분야가 새로운 기술로 등장하였다. 레이저 가공에서는 레이저광을 집속시켜 가공하기 때문에 비접촉 가공이어서 피가공물에 변형을 주지 않는 장점이 있으며 공구를 사용하지 않으므로 공구마모의 문제가 없고 다이아몬드와 같이 강도가 높은 물질도 가공할 수 있다. 높은 온도에서만 녹는 물질도 쉽게 녹이고 증발시킬 수 있으며 정밀가공이 가능하다는 등의 장점이 있다.
레이저광을 집속시켜 종이 천 가죽 고무 플라스틱 세라믹 금속 등을 다양한 모양으로 절단하는 것이 가능하다.
레이저광의 평행성을 이용하면 아주 작은 지름의 빔으로 진속시킬 수 있으므로 레이저광은 가늘고 깊은 구멍을 뚫기 위해 활용되기도 한다.
레이저를 이용한 좁은 부분 가공기술을 응용하여 컴팩트디스크(CD)라 불리는 고밀도 정보저장이 가능하다.
재료가공에 주로 이용되는 고출력 레이저는 CO₂레이저와 Nd-YAG레이저이며 국내에서도 고출력 CO₂레이저는 표준연구소, 서울공대, 금성전선 등에서 개발된 바 있고 Nd-YAG레이저는 에너지연구소에서 개발된 바 있다.
