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레이저를 쏘는 로봇! 가능할까? 목록

조회 : 6349 | 2006-08-10

제목




그랜다이저의 레이저포
베가성의 침입 때문에 프리드 별에서 로봇을 타고 도망쳐온 듀크는 베가성의 지구 침략을 지구인들과 함께 힘을 모아 막기로 결심하고 지구를 침범하는 로봇들을 온갖 레이저 포와 미사일로 번번이 격퇴시킵니다. 듀크와 함께한 이 멋진 로봇은 ‘그랜다이저’ 입니다. 그랜다이저는 나쁜 적들을 향해 레이저를 쏘고 지구를 지켜냈지요. 이러한 레이저포의 이야기는 먼 미래의 이야기가 아닙니다. 지금도 수없이 많은 분야에서 레이저가 유용하게 쓰이고 있고, 지금도 더욱 강력하고 정교한 레이저 부품들을 만들기 위해서 많은 곳에서 연구․개발 중에 있습니다. 그렇다면 우리는 언제쯤 영화에서나 볼 수 있을 법한 - 커다란 바위를 레이저포로 두동강 내는 - 광경을 볼 수 있을 까요? 그리고, 레이저는 어디에 또 쓰이고 있을까요? 이제부터 재미있는 레이저의 매력에 빠~져봅시다

 

 

 


그랜다이저

 




레이저는 그냥 ‘빛’인데 왜 이렇게 힘이 센가요?
우리는 보통 레이저를 떠올리면 선생님들이 수업시간에 쓰는 레이저 포인터를 떠올리곤 합니다. 그리고 이러한 레이저 포인터의 빛을 직접적으로 눈으로 보게 되면 시력이 나빠지고 눈에 좋지 않다는 것을 알고 있습니다. 레이저 포인터에서 쓰이는 레이저는 강도가 매우 약한 레이저임에도 불구하고 인체에 좋지 않은 영향을 끼칠 만큼 강한 힘을 가지고 있죠. 그냥 한줄기 빛인데 어떻게 이렇게 큰 에너지를 가질 수 있는 것일까요? 레이저(Laser)는 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'의 약자입니다. 다시 말하면 ‘유도 방출된 빛의 증폭’정도로 이야기할 수 있죠. 말들이 너무 어렵다구요? 차근차근 설명해 드릴께요 ^^.





레이저는 ‘빛’입니다. (빛은 전기장과 자기장이 서로 수직인 방향으로 진동하는 ‘전자기파'입니다. 우리가 흔히 볼 수 있는 물질의 파동과 크게 다르지 않다는 뜻이죠.) 빛은 파동의 성질을 가지기 때문에 빛은 ‘진동수와’ ‘파장’이라는 것을 가집니다. 파장이란 ‘파동이 한 번의 주기 동안의 진행한 거리’입니다. 진동수란 ‘1초 동안 몇 번의 파동이 있었는가’를 나타내는 수치이구요.^^ 걸음을 생각하면 쉽게 이해할 수 있겠네요. 파동의 진동수는 걸음에서 보자면 ‘얼마나 많이 발걸음을 하는가’ 입니다. 파장은 걸음의 ‘보폭’에 대응될 수 있습니다. (걷는 속도가 ‘1초 동안 걷는 걸음 수’ב보폭’인 것처럼 파동의 속도는 ‘진동수’ × ‘파장’이 됩니다.)

 

 


전자기파


 


빛은 물질을 구성하는 전자나 원자핵에 의해서 방출됩니다. 하지만 보통의 빛들은 레이저처럼 무언가를 부수거나 하는 큰 에너지가 없습니다. 왜 그럴까요? 그 이유는 우리가 쉽게 볼 수 있는 보통의 빛들은 규칙성이 없기 때문입니다. 다른 말로 하면, 빛들의 보폭도 서로 다르고 서로 동시에 달려 나가지도 않는다는 것이지요. 많은 사람들이 모여 있는 교실에서 서로 다른 이야기를 하면 전체적으로는 아무 소리도 알아들을 수 없듯이, 많은 입자들이 서로 다른 조건에서 빛을 내뿜게 되면 여러 파장의 빛이 동시에 나오게 됩니다. 형광등이나 백열등이 이러한 과정을 거쳐서 빛을 내게 됩니다. 하지만 레이저는 다릅니다. 레이저는 여러 빛들의 파동이 모두 같은 보폭으로 동시에 달려 나갑니다. 빛이라는 하나의 파동을 사람으로 바꾸어 생각해보면, 많은 사람들이 같은 보폭으로 동시에 걸음을 시작하는 것으로 생각할 수 있겠죠? 하지만 빛과 사람이 다른 점이 있습니다. 사람은 서로 겹쳐져서 동시에 한 공간에 있을 수 없지만 빛을 그렇지 않다는 거에요 ^^. 빛은 모두 한 공간에 어울려 있을 수 있죠. 여러 줄기의 빛들이 한 공간에서 같은 보폭으로, 발걸음을 맞추며 동시에 달려갑니다. 그 빛들은 함께 어울리게 되고 힘이 세지지요. 이러한 방식으로, 빛들을 같은 파장으로 동시에 쏘아서 한 점에 모으면, 큰 에너지를 가진 ‘레이저’를 만들 수 있게 되는 것이죠.

 

  


빛


 


불규칙하게 빛을 모으면 에너지를 집중시킬 수는 없습니다. 레이저처럼 여러 빛이 ‘같은 보폭’으로 ‘동시에’ 시작되어야 서로 어울려서 큰 힘을 낼 수 있게 되는 것이죠. 앞에서 들었던 예를 이에 적용해서 다시 이야기해 보면, 교실에 있는 여러 사람이 입을 맞추어(같은 파장으로) 동시에(파동이 동시에 시작하면) 소리를 내면 한사람이 내는 소리보다 훨씬 큰 소리를 낼 수 있는 것과 같은 이치입니다. 이야기는 간단하지만 실제로 여러 빛을 하나로 모으는 일은 정말 쉽지 않습니다. 레이저는 20세기가 돼서야 알게 된 양자역학의 원리를 응용해서 만든 것입니다. 양자역학의 원리가 밝혀지고 난 후, 수십 년이 지나고 난 오늘날에 와서야 응용이 되고 있습니다. 많은 곳에서 어떻게 하면 빛을 하나로 더 잘 모을 수 있을까(어떻게 하면 빛들을 coherent하게 만들 수 있을까)를 연구하고 있지요.





많은 과학자들은 어떻게 여러 빛을 같은 파장으로 동시에 진행시킬 수 있을까요? 아까도 이야기했듯이, 물질의 입자들은 빛의 형태로 에너지를 흡수하거나 방출합니다. 물질은 원자로 이루어져 있고 원자를 다시 쪼개어 보면, 원자핵(그림에서 볼 수 있듯이 ‘중성자’라는 것과 ‘양자’라는 것으로 이루어 집니다.)과 전자로 구성되어 있습니다. 어떤 물체가 빛에너지를 받으면 그 물체 내의 전자들은 에너지를 흡수하여 높은 상태의 에너지를 가지고 있게 되죠. 그런데 세상은 에너지가 낮은 것을 더 좋아해서, 전자들이 높은 에너지를 가지고 있는 것을 허락하지 않아요. 전자는 결국 가지고 있던 에너지를 다시 외부로 돌려주어야 합니다. 외부로부터 에너지를 공급받아도 전자는 다시 에너지를 밖으로 돌려놓아야 하지요. 그 과정에서 전자는 재미있는 현상을 보여줍니다. 전자가 받았던 에너지를 다시 밖으로 내어 놓을 때 어느 정도 까지는 쉽게 내어놓지만, 그 이후에는 어떤 자극을 주어야 에너지를 내어놓기도 합니다. 전자는 욕심이 많아서 한번 받았던 것을 잘 내놓지 않으려 하나 봅니다. ^^ 전자에게 받았던 에너지를 다시 돌려달라고 잘 달래야 겠지요.

 

 

 


물질의 입자





전자가 빛을 받으면 빛에너지를 가져가게 됩니다. 앞서 이야기한대로 어느 정도까지는 가져갔던 에너지를 잘 내어놓는데요, 그 이후부터는 전자가 받았던 것을 잘 내어 놓도록 유도해야 합니다. 약간 자극을 주어야 하지요. 물체에는 수없이 많은 전자들이 있는데 이 녀석들을 가만히 내버려 두면 모두들 받았던 에너지를 품고 있는 사태가 발생합니다. 나중에 이 녀석들을 잘 자극시켜서 구슬리면 모든 녀석들이 가지고 있던 것들을 한꺼번에 내놓게 되지요. 전자가 가지고 있던 에너지를 내놓을 때 이 에너지는 빛의 형태로 만들어 집니다. 전자들이 자극을 받고나서 가지고 있던 에너지를 한꺼번에 내놓게 되면 모두가 한꺼번에 내놓았으므로 빛이 동시에 생기는 꼴이 됩니다. 또 모든 전자들의 상황이 동일해서 ‘같은 파장’으로 만들어 집니다. 그에 따라 물체의 많은 전자들이 다시 내놓는 빛은 ‘같은 보폭’으로 ‘동시’에 달려갑니다! 바로 레이저가 만들어진 것이죠! 이러한 과정을 반복적으로 거치면 거칠수록, 더 많은 빛들을 한꺼번에 모으면 모을수록 더 강한 레이저가 만들어 지게 되는 것입니다. 조금 어려웠다구요? ^^ 레이저는 양자역학이 발전한 이후에나 만들어진 최근의 기술이어서, 그만큼 어렵고 새로운 기술들이 쓰이고 있는 것이 사실이지요. 하지만 그만큼 유용하게 자주 쓰이고 있기도 합니다. 그렇다면 이제 레이저가 어떻게 이용되고 있는지 알아보는 것이 좋겠군요! ^^






오늘날의 레이저


레이저는 정말 많은 분야에서 이용되고 있습니다. 아까 이야기 했던 레이저 포인터와 레이저쇼에도 이용이 되고 있고, 의료 분야에서도 많이 활용되고 있습니다. 레이저가 큰 에너지를 가지고 있기 때문에 그 레이저가 세포에 닿으면 큰 에너지를 받아 그 세포는 죽기도 합니다. 그러한 현상을 이용하여 몸속에 있는 암세포를 죽여서 암을 치료하는데 쓰이기도 하고 여러 가지 몸에 있는 해로운 것들을 제거할 때 이용합니다. 상처부위에서 피가 날 때에도 레이저로 환부를 지져서 피를 멎게 하기도 하지요. 사람의 손으로 하기에는 너무 미세한 부분이나 섬세한 작업이 필요할 때 특히 레이저를 많이 쓰게 되죠. 이러한 분야뿐만 아니라 어떤 물건을 섬세하게 자르거나 절단할 때 레이저를 쓰기도 합니다. 우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 레이저 프린터에서도 레이저를 이용합니다. 여기서 언급한 것 외에도 정말 많은 분야에서 레이저가 이용되고 있습니다. 앞으로 더 많은 분야에서 쓰이게 될 것입니다! 이제 레이저는 우리 생활에서 없어서는 안 될 중요한 것이 돼버리고 말았습니다.

 

 




레이저치료

 



레이저의 미래 - 레이저의 두 얼굴

 

레이저6

 


영화 ‘스타워즈’에서 우리는 레이저포가 난무하고 광선 검으로 싸워대는 모습을 볼 수 있습니다. 이러한 모습을 그리 머지 않은 미래에 볼 수 있을지도 모릅니다. 그림처럼 지구에 정면으로 충돌하려는 운석을 강력한 레이저포로 두 동강 낼 수 있을 지도 모르겠습니다. 그만큼의 파괴력을 지닌다면, 원자폭탄에 버금가는, 아니 그 이상의 파괴력을 가지게 되겠지요. 이렇게 무서운 파괴력을 가진 레이저이지만 레이저 기술이 좀 더 발전하면 일상생활에서 지금보다 더 많이 사용될 것입니다. 모든 것들을 레이저를 이용해서 할 수 있는 세상이 올지도 모르지요. 병원에서의 치료가 레이저로 이루어지고, 집에서 밥을 하기 위해서, 지금 쓰는 가스 불 대신 레이저를 이용하기도 하고, 집안 청소를 레이저로 하게 될지도 모릅니다. 레이저는 다른 것을 파괴하는 무서운 것이기도 하지만 우리 생활에서 꼭 필요한 양면성을 지니고 있기도 합니다. 무서운 파괴력을 지녔지만, 한편으로는 우리 생활을 너무도 편리하게 만들어주는 레이저. 레이저가 어떻게 쓰일지는 레이저를 연구하는 과학자들과 그것을 쓰는 사람에게 달려있겠지요.

 

 ★ 카이스트 물리학과 민병규

 

 


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