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산업 : 하이테크상품의 꽃

재료가공

레이저를 이용하여 금속 비금속 세라믹 보석 유리 섬유 플라스틱 등 재료를 절단하거나 구멍을 뚫는 작업을 말한다. 레이저를 이용하면 종전에는 불가능했던 금속의 용접도 가능하다.

레이저가공의 특징은 가공속도가 빠르며 가공된 재료가 기계적 열적 변형이 거의 일어나지 않는다는 점이다. 이때문에 초정밀가공이나 고급공정에 주로 이용된다.

높은 정밀도가 요구되는 반도체공정에는 앞으로 레이저 재료가공기술이 큰 비중을 차지할 것으로 예상된다. 4메가D램이상의 반도체생산기술에 레이저가공기술은 필수적이다. 레이저가공은 레이저의 산업적 응용에서 가장 널리 쓰이는 분야이기도 하다.

■ 광통신

반도체레이저와 광섬유(optical fiber)를 이용한 광통신의 장점은 한가닥 광섬유를 이용하여 최소한 1만회선의 통신이 가능하다는 점이다. 이외에 종전의 구리선에서 문제가 됐던 잡음이 거의 제거될 수 있고 속도가 매우 빠르다는 점도 특징이다.

광통신은 빌딩이나 기업내부에서 LAN(근거리 통신망)시스템을 구축하는데 매우 편리하고 해저 광케이블을 통해 국제간 장거리통신에도 널리 쓰인다. 특히 컴퓨터와 통신이 결합되는 C&C(Computer&Communication)사회에서 광통신은 빼놓을 수 없는 핵심기술이 되고 있다.

■ 광컴퓨터

흔히 미래의 컴퓨터로 인공지능컴퓨터 생물(bio)컴퓨터 광컴퓨터를 꼽는다. 인공지능은 소프트웨어적인 개념이고 생물컴퓨터와 광컴퓨터는 현재의 반도체칩을 바이오칩이나 광프로세서로 대체한다는 개념이다.

지난해 3월 미국 AT&T 벨연구소는 초당 1백만 명령어를 처리하는 광프로세서를 개발, 광컴퓨터실현에 한발짝 다가섰다. 광컴퓨터의 장점은 전자의 상호간섭과 전선의 정체현상을 일거에 해소해 인간이 실현할 수 있는 가장 빠른 속도를 낼 수 있다는 점이다. 현재 가장 빠르다는 슈퍼컴퓨터조차도 광컴퓨터와 비교하면 수천분의 1정도의 속도밖에 내지 못한다.
 

■ 정밀측정

레이저를 이용한 정밀측정은 비접촉식이며 전자기적 방해를 받지않고 속도가 빠르며 측정오차가 매우 작다는 장점이 있다. 온도 길이 전압자기력 등 1차원 측정뿐아니라 2차원 또는 3차원 측정에도 레이저는 널리 이용된다.

사진은 비접촉식 유속(流速)측정장비인 LDV(Laser Doppler Velocimeter)장치. 송유관 파이프의 석유량 측정이나 자동차나 비행기 엔진 내부의 동력학적 상태를 측정하는데 주로 사용된다. 사용된 레이저는 헬륨네온레이저.

한국표준연구소에서는 길이나 온도의 표준을 정하는 장치에 레이저를 이용하고 있다. 앞으로 기업의 생산현장에도 레이저를 이용한 정밀측정장비 수요가 크게 늘 것으로 예상된다.

■ 홀로그래피

'완전한(Holo) 그림(Graphy)'라는 어원에서 알 수 있듯이 우리가 일상생활에서 접하는 모든 사물의 시각정보를 완벽하게 기록했다가 재생하는 기술.

원리는 매우 간단하다. 물체로부터 반사된 빛의 파동을 홀로그래피용 사진 건판에 기록했다가 레이저를 이용, 재생한다. 일반 사진이 빛의 파동과 진폭만을 기록한다면 홀로그래피건판은 물체의 입체감을 표현하는 위상정보까지 기록한다고 생각하면 알기쉽다.

홀로그래피가 처음 출현한 것은 1940년대 후반이지만 레이저의 발명이후 홀로그래피는 산업적으로 널리 이용되고 있다. 광고 정보기억 크레디트카드 등 홀로그래피영상의 이용분야는 무궁무진하다.

■ 컴팩트 디스크

반도체레이저를 이용한 컴팩트디스크(CD, Compact Disk)의 장점은 비접촉식이므로 디스크의 수명이 반영구적이며 잡음이 없다는 것이다. 82년 10월 일본에서 처음 발매된 CD는 12㎝직경의 디스크를 이용해서 74분까지 녹음이 가능했다. LP레코드에서 기록되지 않던 주파수대역도 수용할 수 있으므로 음질이 원음에 가깝고, 먼지나 긁힘에 강하다는 점이 부각돼 흔히 CD를 '오디오의 혁명'이라 부른다.

CD는 오디오 뿐만아니라 컴퓨터 기억장치로도 각광받고 있다. 디스크 한장에 6백80메가바이트(MB)까지 기억시킬 수 있는 CD롬(ROM)은 백과사전의 입력이나 대규모 데이터베이스관리에 크게 활용되고 있다.

■ 레이저 프린터

레이저를 이용한 프린터는 종래의 기계식에 비해서 소음이 적고 속도가 빠르며 해상도가 뛰어나다는 장점이 있다. 현재 국내에서 판매되는 레이저 프린터는 보통 3백dpi(dot per inch)의 해상도에 2백만원 정도의 가격이다. 아직은 비싼 편이지만 몇년전에 비하면 3분의 1정도에 불과하다. 세계적으로도 레이저 프린터는 해상도가 높아지고 컬러화되는 추세이며 가격은 눈에 띄게 떨어지고 있다.

레이저 프린터의 등장으로 탁상용출판시스템(DTP)의 대중화가 훨씬 앞당겨질 것으로 기대된다. 사진은 큐닉스의 레이저 프린터.

■ 바코드 리더

수퍼마켓에서 물건을 산 후 계산할 때 점원이 상품을 계산대에 대면 '삑~' 소리와 함께 모니터에 금액이 표시된다. 상품에 표시된 바코드(bar code)를 바코드 리더(reader)가 읽어들이는 것이다.

바코드 리더는 헬륨네온레이저나 반도체레이저 또는 발광다이오드를 광원으로 제품의 종류를 빠르고 정확하게 인식해 낸다. 바코드와 바코드 리더는 유통분야의 전산화시스템인 POS(판매시점정보관리)의 핵심기기다. 백화점이나 호텔에서는 POS를 이용하여 단순 판매관리뿐아니라 장기적인 시장예측 경영관리 등을 해내고 있다. 바코드리더 종류는 연필모양의 소형에서부터 박스형까지 크기와 모양이 다양하다.

■ 로봇 센서

'로봇이 눈을 갖는다면…'. 공상과학 영화나 만화에서 널리 소개됐지만 아직 산업현장에서는 어림없다. 기껏해야 전자파를 이용한 센서로 물체의 윤곽을 잡을 수 있을 뿐이다.

로봇이 만약 레이저눈(센서, sensor)를 갖게 된다면 이러한 상상은 현실로 옮겨진 것이다. 아직 2차원 3차원을 인식하는 수준에는 이르지 못했지만 레이저센서에 관한 연구는 한창 진행되고 있다.

■ 동위원소 분리

의료용으로 쓰이는 코발트(Co)나 핵연료인 우라늄의 동위원소를 분리하는데도 레이저는 이용된다. 레이저 동위원소분리법은 가존의 확산법이나 원심분리법에 비해 속도가 빠르며 효율이 좋기 때문에 생산가격을 크게 낮출 수 있다.

■ 레이저 조명

레이저가 가진 직진성 단색성 등을 이용하여 디스코텍의 레이저 조명이나 쇼무대에서의 레이저 조명효과, 레이저그래픽 등이 최근 선보이고 있다.

각 파장 별로 다른 색깔을 갖는 레이저들을 하늘에 쏘아 불꽃놀이를 연상하게 하는 레이저쇼는 가히 장관을 이룬다. 서울올림픽때는 여의도 63빌딩에서 화려한 레이저쇼가 공연된 바있다.

■ 라이더(LIDAR)

라이더는 레이저를 이용한 일종의 원격탐지기. 원격으로 물체의 위치를 측정함은 물론 원거리에 있는 물질의 화학조성도 측정할 수 있어 원격공해탐지기 등에 이용된다.

군사용으로는 독가스의 지역적 분포상황을 라이더를 통해 탐지할 수 있으며 먼지와 같은 미세입자들의 위치를 원격 탐사하여 적의 이동상황도 감지해 낸다. 사진은 미국 항공우주국(NASA)에 있는 14인치 라이더시스템.

■ 레이저 핵융합

핵융합발전은 인류가 직면하고 있는 에너지문제를 일거에 해결할 수 있는 '꿈의 에너지'다. 핵융합이란 두 원자의 핵이 결합하여 무거운 다른 원소를 만들 때 질량의 일부가 엄청난 양의 에너지를 방출하는 현상이다.

핵융합현상에서 가장 문제가 되는 부분은 원자를 1억℃이상 가열시켜야 플라즈마 상태가 되어 핵융합반응이 일어난다는 점이다. 현재까지 1억℃ 이상의 온도를 유지하는 방법은 레이저에 의한 가열과 토카막현상에 의한 온도상승 두가지 뿐이다. 레이저핵융합에 필요한 고출력 레이저는 7백테라와트 정도다.

사진은 레이저핵융합연구로 미국 로렌스 리버모어연구소와 쌍벽을 이루는 일본 오사카대학의 핵융합장치.
 

무기 : 총알보다 빠른 살인광선

1972년 월남전의 전략적 요충지였던 탄호아철교는 스마트(smart)폭탄이란 레이저무기에 의해 폭파됐다. 그 이전까지 미군은 이 난공불략의 다리를 폭파하기 위해 1백여대가 넘는 비행기를 희생시켰다. 레이저가 첨단군사무기로 화려하게 데뷔하는 순간이었다.
스마트폭탄은 고공에서 폭탄을 투하시킨 후 레이저를 이용해서 이 폭탄을 표적까지 유도하는 일종의 레이저유도폭탄이다. 대공포로부터 안전한 위치에 있는 항공기가 레이저광을 표적에 비춘다. 반사되어 나오는 레이저광을 폭탄에 장치된 수신기가 받아 폭탄에 붙어있는 날개를 움직여 표적을 향해 날아가는 것이다.

레이저의 발견은 군사무기에 엄청난 변화를 가져왔다. 어쩌면 국방과학의 발전이 레이저의 개발을 오히려 주도해 왔다고 볼 수도 있다. 때문에 미국 등 선진국에서는 레이저기술을 극비의 국방과학기술로 취급한다.

레이저병기의 강점은 뛰어난 정확도를 자랑하며 원거리 조작이 가능하다는 것이다. 레이저탐지기가 장치된 비행기라면 표적이 구름에 가려져 있어도 하등 문제가 되지 않는다. 육안으로 보이지않아도 레이저는 정확하게 목표물을 찾아가기 때문이다. 전파방해를 받지않는다는 점도 다른 무기에 비해 뛰어난 장점이다. 무엇보다도 가격이 저렴하고 더구나 재래식 무기를 간단히 개조해 쓸 수 있다는 점때문에 레이저병기의 개발은 가속화되고 있다.

현재까지 알려진 레이저무기의 종류도 다양하다. 가장 널리 쓰이는 레이저거리측정기에서부터 레이저유도폭탄 레이저유도미사일 레이저레이더 레이저경보장치에 이르기까지 재래식 무기로 불가능했던 영역에서 레이저는 믿을 수 없는 힘을 발휘한다.

레이저병기는 현재까지 알려진 것보다 베일에 싸여있는 부분이 더 많다. 살인광선으로 알려진 고출력 레이저의 개발이 현재 어디까지 와 있는지는 군사전문가들도 예측하기를 꺼려한다. 다만 SDI의 핵심을 이루는 부분이 레이저무기이고 지난 81년 1백테라와트(1Tera watt=${10}^{12}$W) 세기의 X선레이저가 미국에서 제작됐다는 사실로 미루어 짐작할 뿐이다. 이 정도의 레이저만으로도 만약 실전에 배치된다면 ICBM(대륙간 탄도미사일) 정도는 무용지물로 만들어버릴 것이라는 전문가들의 지적이다.

■ 레이저거리측정기

군사용으로 가장 널리 쓰이는 레이저병기. 레이저광이 광속으로 나아간다는 원리를 이용해 레이저광이 표적을 맞히고 돌아오는 시간을 재어 거리를 측정한다. 탱크 함정 전투기 등에 널리 이용되며 현재 야외휴대용까지 선보이고 있다. 주로 쓰이는 레이저는 루비레이저 야그레이저 이산화탄소레이저 유리레이저 등이다. 우주과학용으로는 달까지의 거리측정에도 이용되고 있다. 사진은 탱크에서 쓰이는 레이저거리측정기(왼쪽, 동그라미 친 부분)와 휴대용 장비(오른쪽)
 

■ SDI와 레이저

미국이 소련의 대규모 핵공격에 대비해서 83년에 계획한 SDI에는 레이저무기가 주축을 이루고 있다. 1천대 이상의 ICBM이 미국 본토를 향해 동시에 발사될 경우를 상정해 마련한 이 계획에 따르면 레이저무기는 주로 요격 초기단계인 1,2단계에 동원되고 있다. 재래식 무기들이 대응할 시간을 갖추는 동안 대응력이 빠른 레이저광선이 즉각적으로 소련의 핵미사일들을 공중폭파시킨다는 것이다. 먼저 1단계(발사후 3분까지)에는 우주전투기지(위성)에서 소련잠수함이 쏘아 올리는 핵미사일을 화학레이저로 요격하고, 또 미군 핵잠수함은 ICBM을 X선레이저로 공격한다. 2단계(발사후 11분까지)에는 알래스카기지에서 쏘아올린 엑시머레이저나 자유전자레이저(FEL)를 고공에 있는 미러와 우주전투기지에서 받아 역시 ICBM을 요격한다.
 

의료 : 첨단수술장비로 정착

서류를 읽고 있던 40대의 A씨는 최근들어 눈이 아프고 글씨가 잘 보이지않는다는 사실을 깨달았다. 바쁜 일과 중에 시간을 내어 근처 안과에 가서 진단을 받은 결과, 수술을 요하는 안과 질환에 걸린 것을 알았다. 그가 1주일 이상을 입원해야될 것으로 생각하고는 의사에게 시간적 여유를 달라고 말하자 의사는 빙그레 웃으며 5~10분이면 수술이 끝나니 지금 해버리는 것이 좋겠다고 말했다. 의사는 최신 레이저 수술장비를 보여주며 환자가 경탄함을 담담히 바라보았다. 요즘 병원에서 흔히 볼 수 있는 장면이다.

최근 세계 각국에서는 레이저를 이용하는 수술 기술이 상당히 늘고 있다. 80년대초까지만 해도 레이저의 이용은 떨어진 망막을 접합시키는 것과 같은 몇가지의 특수 외과용 도구로 한정되어 있었으나 지금은 수술실의 일반 도구로 정착되고 있으며, 까다로웠던 수술도 레이저를 이용하면 쉽게 마칠 수 있게 됐다.

예를 들면 동맥에서 레이저를 사용하여 지방질을 제거하는 것은 종전의 메스로는 도저히 할 수 없는 일이었다. 또한 섬세한 피부 조직내에 생긴 모반이나 문신을 제거하는데 레이저가 사용되며, 절단된 신경을 다시 연결하고, 컴퓨터를 이용한 정밀 수술 및 암치료에까지 레이저의 사용범위가 넓어지고 있다. 이와 더불어 의학용 기초 연구로 각 대학에서는 레이저광이 살아있는 세포의 물질대사에 어떻게 영향을 줄 수 있는가를 밝히는 연구를 진행하고 있다.

이와 같이 레이저는 믿을 수 없을 정도의 정확성과 레이저 특유의 집속성 간섭성 단색성 등으로 외과 내과 피부과 치과 산부인과 등이 다양한 의학 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 레이저의 의학적 응용은 1961년 루비레이저를 이용한 레이저 응고 및 1963년 아르곤 이온 레이저를 이용한 피부학에서의 응용 등에 연구되었으나, 레이저 광원이 다양하지 않았기 때문에 1960년대에는 대학의 연구정도에 그쳤다. 레이저 종류가 다양해진 1970년대 중반에 들어와서 본격적인 레이저 수술 장치의 실용화가 시도되었다. 의학용 레이저는 1980년대에 들어와서 본격적인 첨단 의료장비로 자리를 굳혔다.

치료용으로 대표적인 이산화탄소 레이저와 야그 레이저를 이용한 레이저 메스는 외과에서 사용되며, 색소 레이저와 아르곤이온 레이저는 암치료에 응용되고 있다. 진단용으로는 헬륨네온 레이저를 이용한 혈류속도계와 모아레 간섭선을 이용한 체형진단기 등이 있고, 질소 레이저와 색소 레이저는 살아있는 세포와 레이저 광속과의 영향을 고찰하는 기초연구에 이용되고있다.

■ 레이저 수술

레이저 눈수술. 최근에는 레이저를 이용, 각막을 방사상으로 절개하거나 각막표면을 깍아내는 방법으로 근시나 난시를 교정하기도 한다. 엑시머레이저가 주로 쓰인다.

레이저칼(메스)로 외과수술을 하는 장면. 레이저는 믿을 수 없을 정도의 정확성을 발휘한다. 사용되는 레이저는 이산화탄소레이저 또는 야그레이저