레이저이야기
일상생활에서 첨단과학까지
목포도립도서관 남창희 2014. 9. 13.

(사회자)
사서 김명선이라고 합니다. 오늘 도서관수업 과학강의가 있어 여러분들이 자리에 참석하게 되었는데요. 오늘 도서관수업 과학강의는 한국 도서관 협회와 기초과학연구원이 공동으로 주최하는 행사고요, 전국에 지역 대표도서관들을 대상으로 해서 강의가 진행되고 있습니다.

저희가 도서관 첫 번째로 진행되고요, 행사를 진행하고 있고요. 오늘 저희가 모신 강사님, 굉장히 유명하시고 어렵게 모신 분입니다. 강사님에 대해서 간략하게 소개해 드리겠습니다. 오늘 저희가 모신 남창희 단장님은 서울대학교를 졸업하시고 Prinston 대학에서 박사과정을 마치시고, 현재 기초과학연구원 초강력레이저과학 연구단 단장으로 재직 중 이십이다.

(교수님)
안녕하세요.

(학생들)
안녕하세요.

(교수님)
도서관 속 과학강의 이런 것을 우리 기초과학연구원에서 지원을 해서 하는 것으로 알고 있는데, 제가 강의 준비한 것은 특히 고등학생일 많이 오는 걸로 생각해서 말하는 것은 고등학생 수준으로 준비된 강의인데, 보니깐 초등학생들도 있죠? 초등학생? 초등학생 있죠? 중학생? 고등학생은? 될 수 있는 대로 쉽게 이야기하도록 노력하겠습니다.

여기 제가 레이저에 관해 이야기 할 것인데, 제가 지금 들고 있는 것도 레이저죠. 지금은 레이저를 손에 들고 다녀요. 집 가전제품 속에 레이저가 많이 있어요. 요즘에는. 그 정도가 됐는데, 레이저를 발명한 지 나이로 따지면 쉰 살이 조금 넘었어요. 1960년대 처음 레이저가 나왔는데, 지난 50년 동안 진짜 여러 가지 컴퓨터도 눈부시게 발전했죠? 20년 전만 해도 인터넷이 뭔지, 아주 사는 사람만 썼을 거예요, 그때는. 근데 지금은 다 인터넷 없이 살기 힘들죠. 레이저도 레이저 포인트도 그런데 그런 것뿐만 아니고 우리가 알게 모르게 레이저 제품들이 우리 생활 속에 있고요. 일단 잠깐 그런 것들 보여드리고 할 텐데.

제가 레이저를 연구하게 된 게 제가 1970년대 했으니깐, 레이저 발명하고 15년 지나서 했으니깐. 꽤 오랫동안 레이저 관련된 뭔가를 했어요. 제가 살아오면서도 보면 레이저가 많이 발전했구나! 보면 너무나 놀라워 지금,
여러분 10년 뒤에 인터넷 쓰고 20년 전만해도 누가 핸드폰 주머니에 핸드폰 넣어 다니고 생각했겠어요? 지금은 인터넷도 연결해서 하고. 이거 소설 속에 공상과학 속에 수준이었는데, 그 정도로 발전하고 있는데 레이저를 보면 빠르게 발전하고 있어요. 그래서 지금 제가 레이저 연구를 하고 있는데, 제가 지금 광주과기원 GIST라고도 하죠. 광주과기원 물리광과학과 교수기도 한데, 또 제가 하나 또 직위를 가지고 있는 게 기초과학연구원 초강력 레이저과학 연구단, 기초과학연구원은 이제 한 3살이 좀 안 됐어요. 우리나라에서 생긴 지 걸음마하고 있는 기관인데, 한국에서 기초과학분야 물리, 화학, 수학, 생물 뭐 이런 쪽을 기초과학이라고 하는데 그런 것을 획기적으로 발전시키려고 하는 연구소죠. 기초과학연구원을 어떤 면에서 보면은, 우리나라 산업적 이런 것은 세계적으로 알아주는 회사가 있어요. 삼성이라고 하면은 삼성은 어느 회사인지 알죠? 외국사람 만나도 삼성하면은 그 사람들이 삼성이 일본회사인지 한국회사인지 몰라서 문제이지 만은, 삼성 엘지하면은 웬만한 사람 다 알아요. 그만큼 산업적 공학, 엔지니어링인데 세계적으로는 알아주는데 기초과학은 상당히 부족하다고 느껴서, 대한민국 정부에서 우리가 좀 더 힘써야 할 곳은 기초과학이다. 그래야 앞으로 지금 삼성이나 엘지가 발전하는 것을 보면 미국 일본에서 하는 거 열심히 뒤쫓아 가서 많이 올라간 것이거든요. 근데 우리가 남이 못하는 것도 해야겠다. 그러려면 기초과학 발전이 연결 되죠. 그래서 기초과학을 발전시키자. 그래서 기초과학연구원을 만들었어요. 그래서 이게 3살이 조금 안 됐다고 했는데, 여기에 연구단이 21개가 있어요. 물리분야 연구단 7개 있고, 생물도 여섯 일곱 개 되고, 화학 수학도 있고요. 그런 연구단들이 서울에도 몇 개있고, 대전에는 본부가 있어요. KAIST 제가 사실은 이거 시작하기 전까지는 KAIST 교수였어요. KAIST에서 이십 삼사 년 근무를 했었는데, KAIST도 세 개 네 개 연구단이 있고, 광주과기원에도 연구단이 있어요. 그래서 광주과기원에서 교수하고, 기초과학 연구원 단장을 하고 있죠.

실제 그 우리 주위에 레이저들, 컴팩트 디스크 어떻게 보면 한물간 것 해서 잘 쓰진 않죠. 근데 이제 DVD나 이런데 그 안에 레이저가 들어가 있죠. 슈퍼마켓에서 물건 살 때 스캐닝 하잖아요. 그럴 때 레이저를 이용한 바코드 스캐너가 있고, 요즘엔 잉크보다 레이저프린트를 많이 쓰죠. 그 안에도 레이저가 들어가 있고, 손에 들고 있는 레이저 포인트 지금은 그린으로 나가지만, 그 당시엔 빨간색 많이 있었죠. 그 다음에 레이저쇼 하는 곳이고, 이런 곳에 레이저가 활용되는 것이죠. 그래서 어떻게 보면, 좀 더 보여드리겠지만, 레이저가 없으면 못 하는 일이 많아요. 뒤에도 현재 레이저가 많이 활용되고 있다고 할 수 있죠. 병원을 가면은, 조금 규모 있는 병원들, 작은 병원들은 아직 레이저가 고가라서 그렇지만, 웬만한 병원 가면은 수술하는데 레이저를 많이 씁니다. 그래서 수술할 때 레이저로 쫙 절개하고 그러면 수술용 칼로 째는 것보다 훨씬 출혈이 적다 그러고. 안과, 피부과에서도 많이 쓰고, 요즘엔 또 시력 교정하는데도 레이저가 많이 활용돼요. 레이저 종류가 사실은 엄청나게 많습니다. 수백 가지의 레이저가 가능해요. 실제로 쓰는 레이저 종류는 많지 않지만, 다양한 종류의 레이저가 개발돼서 활용되고 있다.

시력 교정하는 것도 점점 발전을 해서, 그전에는 엑시머레이저라고 해서 자외선 영역을 레이저를 많이 썼는데, 지금도 많이 쓰고 있어요. 각막을 동그랗게 도려서 그 속에 침을, 엑시머레이저를 가지고 깎아 내리는 것이죠. 보통 근시면 오목렌즈가 들어가잖아요. 그래서 오목렌즈 형상을 눈에다 만들어 주는 거예요. 요즘에는, 각막 무지하게 얇죠. 근데 각막 안에다 렌즈를 만드는 그런 일이 레이저가 하고 있어요. 그것은 펨토초레이저를 쓰고 그 이야기는 뒤에서 할게요. 그래서 의료용으로도 병원가면은 치과에서도 쓰고 있고, 웬만한 분야에서도 레이저가 의료용으로 활용이 되고 있다.

그리고 산업적으로도 굉장히 중요합니다. 레이저 빛이 로봇 팔 끝에 전달될 수 있어요. 그래서 용접도하고 절단도 하고. 어떻게 보면 레이저로 하기 때문에 두 가지 서로 다른 물질을 용접할 수 있어요. 그 전에 서로 다른 재질이 다르면 용접하기가 힘든데 레이저를 이용하면 되고 하고, 구멍 뚫는 것도 표면을 깨끗하게 하는 게 가능해요. 레이저 종류에 딸라 달라지는데, 거칠게 해도 상관없다 그러면 탄산가스 레이저를 사용하고, 깨끗하게 해야 한다 그럼 자외선레이저나 펨토초레이저쓰면 절단면도 깨끗하게 할 수 있어요. 그래서 산업적으로도 레이저는 굉장히 중요해져 다양한 종류가 등장하고 있어요.

그리고 관광지에 가면 유리안에다가 형상을 새겨서 기념품으로 파는 거 있죠? 이런 것도 유리 안에 레이저가 아니면 만들 재주가 없어요. 제가 아는 범위에서는 어떻게 유리 안에 이런 형상을 만들 수 있겠어요? 제가 가져온 게 있는데, 이거는 저기 있는 수준보다 한 단계 더 나간 거. 이거 어때요? 이 유리 안에 뭐가 들어있어요?

(학생들)
장미요

(교수님)
장미도 이건 빨간 장미야. 저기는 그냥 유리 안에다 기포를 조그마하게 만드는 건데. 지금 이런 것은 3차원형상으로 만들 수 있는 이런 것들. 이런 것도 사실은 이건 빨간색인데 이걸 3원색으로 만들면 이것도 미세하게 새겼죠. 이런 것도 레이저를 사용해서 유리안의 특수한 성분을 이용해서, 그 성분을 가져다 변형을 시킨 거예요. 색이 나타날 수 잇도록. 중국에 있는 과학연구소에 있는 친구가 선물해서 받아 논건데, 지금은 빨간색인데, 자기네들은 좀 더 연구해서 총 천연색으로 만들겠다! 그랬어요. 이런 것들 레이저가 있기에 가능한 것이죠. 레이저가 아니면 힘들죠. 그래서 레이저라는 것이 여러 가지 일들을 가능하게 하는 역할을 해주고 있어요.

그리고 레이저가 중요한 것이 군사용으로도 굉장히 중요합니다. 요즘 영화를 보면 레이저를 쏴서 떨어뜨리는데, 그런 건 안 하구요. 중요한 것은 총을 잘 쏘려면 상대방과 거리가 얼마만큼 떨어져 있는가 중요합니다. 그래서 레이저를 사용하는 거리측정기, 소총 같은 경우는 거리측정기가 들어져 있죠. 그리고 탱크 안에도 장거리, 특히 화학무기 독가스 같은 것 상대방에서 독가스를 뿌렸다. 그러면 독가스 성분을 레이저를 이용해서 신호를 통해 알아낼 수 있고, 되돌아오는 시간을 알면 알아올 수 있고.
출력이 큰 레이저를 이용해서 날아오는 미사일 쓰러뜨리기. 이런 것을 위해서 대용량 에너지를 내는 레이저 기술이 상당히 발전해서 실전에 사용할 수 있게 적용단계에 가있다 그래요. 군사용으로도 레이저가 상당히 중요합니다. 한국에 쪽에도 군사용으로 레이저 중요하게 생각하고. 레이저로서 제일 손쉽게 상처를 줄 수 있는 게 눈입니다. 레이저가 제일 위험한 게 눈에 레이저 포인트 사람을 향해서 휘두르면 안돼요. 눈은 예민해서 빛이 눈에 들어가면 그대로 집속 시킵니다. 망막에 집속 되면 망막이 손상돼 회복이 안 됩니다. 그래서 레이저 이용해서 사람들 장님 만드는 건 쉬워요. 그런 것은 비인도적 무기라서 사용이 금지되어 있어요. 지뢰에서도 발목지뢰 이런 거는 사용금지잖아요. 발목지뢰로 인해 사람이 기동성이 없어지니깐 죽는 것보다 더 타격을 줄 수 있는 무기이지만, 여러 가지 요인으로 금지하는 것처럼. 사람 눈을 손상시키는 레이저는 금지되어있습니다. 레이저 거리측정기도 실제는 우리 눈이 민감하게 반응하는 색이 있는 게, 그런 색으로 연구합니다. 거리측정기는 주로 연구하는 게 파장이 가시광선이 있고 파장이 긴 적외선이 있어요. 적외선이 8천 옴스트롱, 만 오천 암스트롱을 넘어가면 눈이 민감하게 반응을 안 합니다. 그래서 그런 쪽 레이저를 거리측정기에서는 사용하죠, 이를 눈이 안전해서 이런 레이저를 아이 세이프 레이저라고 합니다. 이 레이저가 광선검은 아니구요. 스타워즈에 나오는 건 아니구요. 공상과학이 지나친 것이고, 이런 식으로 쓰는 레이저 무기는 계속 개발이 되고 있습니다. 새로운 건 계속 나오기에 실전배치무기를, 한국으로서 제일 바라는 게, 북한의 장사장포를 무력화시키는 레이저, 미사일은 비싸니깐 마구잡이로 못 쏘는데, 레이저는 연속적으로 나오기에 이게 제격입니다. 이것이 조만간 나올 것이라고 생각합니다.

레이저란 뭔가? 레이저의 원리
레이저의 구성
질문을 하면 선물이 있어요. 이건 레이저는 아니고 전등인데, 집에 가서 여러 가지로 밤에 쓸 수 있는 것입니다. 질문 잘하시는 분에게 줄려고 가져온 것입니다.
레이저의 기본원리, 레이저는 우선 레이저의 작동을 하는 이득매질이 있습니다. 이는 기체, 액체, 고체형이 있습니다. 다 가능합니다. 기체형으로 많이 사용하는 건 탄산가스, co2라하는 탄산가스, 그리고 그 전에 빨간색인 헬륨, 레온레이저이고, 액체 레이저 이는 색소 물감을 물이나 알콜에 녹여 쓰는 것이고, 고체레이저는 크리스탈에 레이저 물질을 섞어서 쓰는 것입니다. 이런 것들이 이득매질인데 기본적으로 빛이 나오려면 에너지 공급이 있어야 하는데, 에너지 공급을 해주는 펌핑, 펌핑광원이 필요합니다. 이거는 전기를 흘려서 할 수 있고, 다른 램프를 쪼여가지고 빛이 나와서 에너지를 공급하는 그런 방법도 있고요.
이득매질이 있으면서 에너지를 공급하면 빛이 나오기 시작합니다. 빛은 처음부터 레이저빛이 아니고, 레이저가 되게 하려면 케비티가 구성이 되어야 한다. 한쪽은 고반사 거울, 빛이 들어오면 거의 100%반사되는, 여기는 부분투과 거울이라고 일부는 반사되고 일부는 투과되는.
투과율이 1%다 그러면 1%는 이리로 나오고, 99%는 반사되는 거예요. 그래서 실제 빛이1%투과율이다 그러면 100번 왔다 갔다 해야 되는 건거죠.
이득매질에 에너지가 공급이 되면 밀도반전을 시킨다고 그러는데, 에너지가 낮은 상태인 원자나 분자를 높은 상태로 올려주는 것이에요. 그래서 낮은 에너지 상태보다 높은 에너지상태의 분자가 많으면 밀도반전을 일으켰다고 하는데, 그러면 빛이 지나갈 때 점점 세지는, 하나가 들어가면 두 개가 두 개가 들어가면 네 개가 나오는 증폭이 일어나요. 이를 유도증폭이라고 합니다. 그래서 LASER를 Light Amplification Stimulated Emission of Radiation이라고 하고, 유도방출 복사에 의한 빛의 증폭이라고 합니다. 하나가 들어간 게 두 개가 되고 두 개가 네 개가되고, 이게 증폭이에요. 여기는 100센트 반사, 여기 와서 한 개는 새나가고 99는 되돌아오니깐 이 안에서 계속 왔다 갔다 하죠. 그래서 에너지가 세져서 레이저가 되는 겁니다.
형광등이나 백열들에서도 빛이 나오는 건데, 이는 저절로 나오는 거라 자발방출, 사방으로 마음대로 나오는 거예요.
레이저 포인트에서 나오는 것은 유도방출, 자기가 유도한 것과 같은 똑같은 게 나와요. 그래서 클론이라고 그래서 생물학적으로 똑같은 거 만들어내잖아요. 자기와 똑같이 생긴 거, 하나 들어가면 두개 되고ㅡ 두 개는 네 개가 되고 하면 자기와 똑같이 생긴 게 같은 방향으로 나오는 거죠.

10센티를 100번 왔다 갔다 하면 10미터, 조그만 구멍을 통해서 저기 먼 거리로 갔다는 거예요. 빛이 들어와서 안 퍼지고 쭉 가는 거예요. 왜 레이저 빛은 안 퍼지는가? 형광등은 빛이 확 퍼지는데, 실제 손에 들고 있는 레이저 포인트 출력해봐야 1와트? 1와트의 천부의 1? 수 밀리와트 수준인데, 이런 거는 몇 십 와트 수준이에요. 10미터 뒤에서 보면 이게 밝아요? 레이저 포인트가 밝아요? 레이저가 밝죠. 왜 빛이 안 퍼지는가? 하는 것은 공진기 안에 빛이 아주 먼 거리를 진행해 하나가 나오는 것이라 그렇습니다.
레이저의 특성으로 보면 이게 녹색인데 한 가지 색만 보이죠? 램프에 비해서 레이저는 한 가지 색이다, 방향성 퍼지지 않고 간다, 결맞음성. 복제를 하기 때문에, 그래서 결맞음성을 항상 갖고 있기 때문에 홀로그램 같은 것을 만들죠. 홀로그램에 관한 선물이 있는데, 이게 홀로그램인게 잘 보면 케리비안 해적이 나오는 보물상자예요. 이것도 선물.

앞으로 이야기할게 짧게 만들 수 있다. 얼마나 짧아지는가?
이게 세계 최초로 최초 레이저 1960년에 등장한 레이저, 이게 루비레이저. 말몬박사가 개발한 레이저, 에너지를 공급하는 램프가 동글동글 감아져 있어요, 루비 보석 있죠? 빨간 루비가 이득매질. 이득을 해줘서 레이저 발전을 시키는, 여기서 빛이 나오는. 실은 루비는 레이저 만들기에는 쉬운 매질이 아닙니다. 1960년 직전에 누가 제일먼저 레이저를 개발하나 경쟁이 붙어있었는데, 연구소에서 자기가 먼저 레이저 발전을 시키려고, 역사를 보면 1960년 61년 62년을 보면 아까 탄산가스 있었죠? 그런 게 몇 년 사이에 다 나와요. 그런 것들이 서로서로 다른 팀들이 막 먼저 하려고 경쟁이 붙어 있다가 첫 번째 성공한 사람이 이 양반인데, 이는 연구하는 사람 중에서 알아주는 사람이 아니라 변방에 있던 사람이에요. 연구소도 항공우주산업분야의 연구소. 그것보다 더 유명한 연구소는 벨연구소, 지금은 전화기 연구하는, 쟁쟁한 연구원들 지금 미국 뉴저지에 있는데, 여기는 엄청 커요. 복도가 한 층에 100미터는 가나? 그 안에 실험실들이 많이 있어요. 트랜지스터, 노벨상 받은 사람. 그런 쟁쟁한 연구소에서도 레이저 연구하다가 캘리포니아 시골뜨기가 처음 했다고 하니깐 인정은 안 했어요. 그 당시에. 요즘 한국에서 과학에서 좋은 결과 내서 세계무대로 가면 인정도 잘 안 해줘요. 아직도 한국은 시골이야. 삼성 엘지 등이 유명해져서 아프리카 같은 수준으로는 안 보는데, 아직 시골이죠. 여러분들이 세계적인 한국도 사이언스에서는 최고라는 걸 보여줘요. 라이먼이 어떻게 보면 시골동네에서 세계 최초로 레이저를 만들었어요. 그것이 1960년 50년 전이죠.

질문은 아무 때나 하고 싶을 때 하세요. 내가 말하는 것 중에 뭐가 알고 싶다! 하면 질문하시고 좋은 질문이다 하면 선물도 있어요.

연속적으로 나오는 레이저는 아니고, 마이크로초 수준이고
나노초 레이저, 마이크로초보다는 3분의 1 짧은 거죠. 사람용으로 쓰는 건 나노초 레이저가 많아요. 나노초 레이저를 작동시키는 방법이 Q스위칭 Nd는 네온 이름 원소고 YAG는 어떤 결정이에요. YAG레이저 10나노초에, 1초에 10번하는 10헤르츠 1줄 정도 나오는 레이저. 이는 산업용으로 많이 사용되죠, 절단 용접 마킹, 원격 계측, 레이저 레이더, 의료용 이런데 많이 사용하는 레이저다.
나노초보다 더 짧은 것은 뭘까요? 나노의 1000분의 1. 1초의 천분의 1이 밀리초, 밀리초의 천분의 일이 1마이크로초, 1마이크로초의 천분의 1일 나노초, 1 나노초의 천분의 일이?
나노의 천분의 일. 아까 이야기도 해줬는데, 아까 시력교정하는 레이저를 무슨 레이저라고 했죠? 아까 잠깐 이야기 했었는데. 실은 이는 나노의 천분의 1일 아니고 백만 분의 일이예요. 아까 결단면을 깔끔하게 해준다고 한 게 있었는데.
천분의 일은 피코초입니다. 피코초를 활성하는 기술이 모드록킹입니다. 피코초레이저는 원격계측, 인공위성 거리 측정, 레이저 분광 등에 쓰는 건데, 그 피코초보다도 천분의 1이 메가.

(학생)
피코초보다 더 작은 게 있나요?

(교수님)
그걸 이야기 할게에요.
십의 3승은 kilo, 10의 6승은 Mega, 10의 9승은 Giga, Giga가 들어가는 것이 뭐가 있죠? 기가바이트. 메모리. 그런 USB 용량이 주머니에 넣어도 조그마하지나. 70년대 초 대학교에서 새로 컴퓨터 큰걸 들여온 것이 있어요, 컴퓨터의 용량이 새로 등장한 게 잘해야 1기가였어요. 1기가바이트. 기가보다 큰 게 뭐죠? 테라. 요즘 하드디스크 테라바이트죠. 그다음에 테라보다 더 큰 거? 손들고 이야기 해주세요. 10의 15승인 페타, peta야 이게 중요해. 왜 중요할까? 레이저의 출력과 관련 있어요. 쫌 있다 보여드릴게요. 이것보다 큰 레이저 사용할 수를 있다? 아직은 없어. 10의18승 Exa, 10 -3승 milli 10의 -6승 micro 10의 –9승 nano 10의 –12승 피코, 10의 –15승은? 생각이 안나요? 펨토초. 10의 –15승 초. 이 정도면 빛이 1초에 간 거리는?

(학생들)
30만 키로

(고수님)
너는 홀로그램 당첨이다. 초속이 30만 키로, 지구를 일곱 바퀴 돈다고 하죠. 1나노초 간거리가 얼마게? 몇 센치? 30cm예요. 1피코초는 0.3미리야. 그렇게 짧은 시간이에요. 10의 –15승 짧은 시간 같죠. 그것보다 더 짧은 시간? 국회도서관에서 헌정도서관에서 여고생들 대상으로 한 강연에서 걔네들은 알던데? 10의 –18승은 아토초. 레이저로 펨토초레이저를 만들 수 있고, 그런 걸 가지고 아토초 레이저도 만들 수 있어요. 어떻게 보면 이 기초과학이라는 게 알고 있는 영역 지평선을 확장시키는 거예요. 처음에 레이저 딱 나왔을 때, 마이크로초 수준이었는데, 천만분의일 백만분의 일로 줄이는 기숙 십억 분 의 일로 가죠. 그런 것들이 점점해서 지금은 아토초 퍼스도 만들 수 있어요. 새로운 종류의 광원이 있으면 우리가 또 아주 빠르게 움직이는 가아지를 점점점 출력할 수 있어요. 새로운 광원개발을 하는 것이 순간적으로 일어나는 현상을 연구하는데 중요한 도구가 돼서 어떻게 보면은 지평선을 점점 넓혀가요. 레이저의 출력도, 처음에는 보일락 말락 했을 거예요. 근데 지금은 그 레이저 출력이 점점 세져서, 이건 순간 출력인데, 페타레이저. 여러분 사는 데하고 멀지 않은데 있어요.

지금 펨토초레이져, 제가 KAIST에 있을 때 실험실에서 개발한 레이저예요. 이거 레이저 공진기. 여기 쪽에 설치가 되어있고, 나오는 펄스가 20 펨토초, 그걸 증폭을 시켜서 0.1테라바트라하는데 이걸 1초에 영펄스를 천 번 만들어주는 테라바트레이져.
이게 실제 펨토초레이저를 연구해서, 안과에서 실제 수술하고 그런게예요. 이건 출력이 25fs, 30퍼스 정도 되는데 이것을 더 줄여서 5 펨토초로 할 수 있어요. 5펨토초가 되면 레이저 스펙트럼이 레이저는 한 가지 색으로만 되어있다는데, 여기 가시광선이 다 포함되어 있어요. 그렇지만은 레이저라 하면은 퍼지지 않고 잘 가느냐, 레이저 빛의 결이 잘 맞아있는가 그런걸 가지고 레이저 특성을 들 수 있죠. 단색성은 아니지만은. 퍼스폭이 짧아지려면, 스펙트럼이 넓어져야 해요. 그래서 5퍼스레이저가 되면 레이저 펄스 모양을 그리는데, 세기의 모양을 그리는데, 이건 레이저가 가지는 전기장의 모양을 그려 모양을 이렇다 저렇다 따지게 되는 수준까지 이르렀어요. 아주 짧은 5퍼스. 지금 이런 레이저를 이용해서 이것보다도 더 짧은 퍼스레이저를 만들고 있죠.

그다음에 아까 말한 아토초퍼스를 만들 수가 있어요. 기체에다가 레이저를 쏴주면, 기체 분자에 있는 전자가 레이저에 의해서 이원화 됐다가 되돌아오는 모양을 반복하는데, 또 빛이 나오게 되요. 이런 빛으로서 아토초퍼스를 만들 수 있어요. 그래서 여기 보면 고차조화파라고 되어 있는데, 레이저가 가지고 있는 주파수에 63번째 주화파, 63배되는 65, 67, 69, 71, 73, 75차 100차 조화파를 만들어, 이런걸 다 모아서 아토초 퍼스를 만들 수 있어요.
그런 것들을 KAIST에서 연구를 했어요. 아토초퍼스를 변형해가지고 원자가 아토초로 변하는 아주 지극히 변하는 모습들, 전자가 움직이는 변화를 취합하는데 활용할 수 있기 때문에 이런 광운들이 있으면 레이저처럼 작동하는 특성이 되죠. 완전히 레이저처럼 작동하는 퍼스. 아토초퍼스를 만들 수 있어요. 그래서 펨토초로도 레이저가 가능하고, 그리고 그런걸 응용해서 아토초 퍼스도 만들 수 있고, 그다음에 지금 좀 더 욕심은 아토초보다 더 짧은 퍼스를 만들자. 아토초의 1000분의 1. 찾았어?

(학생)
제타

(교수님)
비슷은 한데 제타는 이제 10의 21승이고, 10의 –21승은 제트퍼스를 만들려는 연구도 하고 있고요. 실제 아토초펄스가 나왔다고 하더라도, 실제 측정해서 증명하지 않으면 알 수 가 없죠. 얼마짜리 퍼스를 만들었는지 증명을 해야 할 것 아니야. 그런 것도 KAIST 실험실에 실험장치가 있죠. 아토초 퍼스를 만드는 실험장치고, 계측하는 장치.
레이저도 우리가 실험실에서 다 손으로 꾸몄고, 자체적으로 개발한 그런 거죠. 장치를 어디서 수입해서 쓰는 게 아니고 부품은 수입한 거지만, 전체적으로는 국내에서 다 해서 아토초퍼스를 만든 것이에요. 이게 진짜 아토초퍼스지 측정을 다하고, 원자나 분자에서 일어나는 아주 빠른 현상들을 연구해왔어요. 얼마든지 이제 국내에서 이런 연구들, 기초과학 연구들을 얼마든지 할 수 가 있어요. 그 전에는 국내에서 하려고 해도 실험 장치들이 없어서 못했는데, 이제는 장치들을 만들어서 할 수 있고, 그런 수준에 다 있어요. 지금 아까도 말했지만, 어느 시골에서 했다고 하면 믿지 않죠. 아직은 한국의 기초과학 수준을 인정하는 것이 높지는 않아요. 그런 능력들을, 그런 발판을 다져나가고 있죠. 더 높은 수준의 과학연구들을 할 수가 있죠. 여러분들이 계단을 자꾸 밟아 올라가야 해요. 한꺼번에 점프해서 그런 게 아니에요. 올림픽에 나가면 한국은 10개쯤 따죠. 제가 어릴 때 보면 올림픽 나가서 동메달이라도 땄다고 하면 좋아하고 했어요. 언제쯤이나 레슬링에서 금메달을 처음 받았어. 운동선수 분야에도 한국에서 많이 투자를 했죠. 그래서 지금 그런 거에요. 하루아침에 하면 그렇게 될 수가 없어. 어떤 국회의원이 한 두 사람만 열심히 투자하면 된다. 그것은 어떻게 보면 망상이고. 올림픽에 나가서 금메달 따는 것도 한 두 사람 투자하는 게 아니에요, 한 두 사람이 나오려면 수많은 사람에게 투자해서 그 중에서 뛰어난 사람이 하나 나가는 거죠. 울 기초과학도 계속 올라가야 세계적으로 알아줄 수 있어요. 계속 노력을 해야 하죠. 이런 연구도 사실은 하나 하나 하려면 시간이 많이 걸리지요. 아토초퍼스도 만들고, 계측도하고. 펨토초 레이저도 출력을 크게 키운 거고, 테라와트 1초에 10번 쏘는 거죠. 20Pulse 3TW를 1998년 KAIST에서 만든 거에요. 20Pulse와 비슷한 프랑스나 이런 데서 미국이나 잘하는 곳은 30Pulse라고 하는데, 우리는 더 짧은걸 했었죠.

제가 아까 이야기 했던, 페타와트레이저를 잠깐 이야기 해볼게요. 광주과학기술원은 굉장히
광주의 끝자락에 있고, 뒤에는 과수원이 있어요. 앞은 그래픽으로 그린 것일 텐데, 뒤에는 진짜 사진이에요 이것들은 농촌마을이에요. 그 안에 레이저가 1PW 1.5PW나오는 그런 시설들이 들어 있어요. 레이저 시설을 보면은 출발을 해가지고 쭉 증폭을 시켜서 중간쯤 오면은 100PW만들 수 있고, 이거를 더 증폭시키면 1PW, 1.5PW가 지금 국내에서 했는데, 1PW 1.5PW이거는 이것은 현재 최고 수준이에요. 다른 데서 쓰질 못해요. 비슷하게는 등장하고 있는데 이거는 2010년에 했고, 이건 2012년에 했는데. 1.5PW 세계최초로 제일 높은 출력을 나타내죠. 그래서 제가 어디 가서 이거 광주과기원 가기 전에 완성이 됐어요. 이런 레이저, 우리나라도 잘 모르지만, 다른 국가 세계적인 학회에 가서 이야기하면 아는 사람은 조금 아는데, 모르는 사람은 한국에서 했다고 하면 제대로 알고서는 이야기하냐 하면서 질문을 해요. 아직 한국은 변방에 있는 시골이야. 세계적인 무대로 끌어올린 분은 여러분이야. 여러분이 필요해요.

티타늄 사파이어. 사파이어들도 보석이죠. 티타늄을 섞어가지고 레이저를 만드는데 직경이 15cm, 금년에 출력을 더 키우려고 4PW를 키우려면, 그럼 결정이 15cm가 더 필요해요.
이걸 그레이팅라고 하는데, 이쪽이 60센치되죠, 세로는 80, 80*60. 무게만 80kg. 이런 대형시설들을 광주에서 하고 있어요.

이건 레이저 시설 보여주는 동영상인데. 레이저 공진기고 증폭기가 쫙 지나갑니다. 그린은 펌핑레이저고 빨간색이 증폭되고 있는 레이저예요. 증폭이 돼서 100TW Pulse를 만들 수 있고요. 이건 100TW용 증폭기예요, 이건 TW를 만들고 아니면 PW로 가면 증폭기에 집어넣으면 증폭기로 에너지를 증폭이 되면 이제 PW Pulse Compressor를, 들어가면 펨토초가 짧아져 빛이 두 개가 꽝 만나는, 두 개의 빔이 꽝 만나는 이런 실험들을 준비하고 있어요. 이런 시설들은, 어떻게 보면 세계에서 제일 잘 돌아가는 레이저 시설이에요. 최고 출력을 내는. 최근에는 중국에서 이것보다 더 높은 출력을 냈다고 논문을 내서 연구소를 가봤는데, 그건 실험에서 쓸 수 있는 게 아니라 논문용이더라고요.

(학생)
두 개의 빔이 부딪히면 어떻게 되나요?

(교수님)
컨트롤용, 실험 근처에서 방사선 전자. 아주 고에너지 전자를 만들고, x선도 나오고 감마선도 나오고 그래요. 그래서 접근을 못하고 원격조정을 하지요. 두 개를 만나는 건 저희가 감마선을 만들려고 하는 것이데, 레이저 하나로 전자를 가속시켜요. 전자빔을 만들고 전자빔하고 두 번째 레이저를 충돌시켜서, 우리가 감마선을 만들 수 가 있어요. 두 개를 동시에 쓸 수 있기 때문에 우리가 연구하고 있어요.
이 시설은 세계 최고 수준이고,

펨토초 레이저를 이용해서 우리는 x선 레이저를 만들 수 있고 그 다음에 전자빔, 양성자빔, 이온빔도 만들고, 중성자빔, 여러 가지 다양한 두 번째 광원, 2차 광원을 만들고, 이를 이용해서 물질의 특성연구도 하고, 그리고 실제 x선이나 감마선을 가지고 아주 새로운 연구들을 해서, 이건 2차 광원인데, 3차 연구가 또 진행이 되고. 다양한 연구를 할 수 있고, 그 시설이 광주에 있어요. 이는 세계적으로 탑 수준에 가있고요, 유럽에서 시설을 크게 짓는데 3군데 회사가 짓고 있는 데가 있어요. 다 예전의 동부나라를 체코, 루마니아, 헝가리 거기가 어떻게 보면 유럽에서 개발이 덜 된 지역이죠. 전략적으로 그런 곳에서 대형 투자를 해 대형 레이저 시설을 건설하고 있어요, 거기서 나오는 레이저는 지금 보여주는 곳보다 훨씬 큰 지역이에요. 우리가 어떻게 그런 곳과 경쟁할 수 있을까? 우리는 훨씬 많은 투자를 하고 있어요. 열심히 노력해야 하는 일이에요. PW레이저 가져다가 실험하는 실험실인데, 사람이 여기 있으니깐 얼마나 큰 줄 알겠죠? 이거 다 국내에서 제작한 거죠. 국내에 다 만들 수 있는 회사들이 있어요. 지금 어느 정도 기초연구 하는데, 이건 진공 캠버인데, 필요한 거 국내에서 할 수 있고, 아까 보여준 결정, 레이저 사파이어는 국내에서 크게 키우는 것은 없고, 다 외국에서 수입하지만 레이저에 들어가는 거울은, 지금 쓰는 건 큰데 레이저 거울만 해도 천만원이에요. 국내에 잘하는 회사가 있어요. 다음 건 50cm짜리 거울이 필요해요 그건 거울만해도 3천만원이 필요해요. 근데 거울은 그렇게 비산 부품이 아니에요. 그런 거 보다 아까 그레이팅 있다고 했죠, 그런데 그거가 한 개다 들어가는 것이 아니라 4개가 들어가요. 그래서 4개 세트를 다 샀어요. 그럼 그거는 밀리언 달러가 넘어요. 10억이 넘어요. 그런 거를 어떻게 보면은 대형투자를 하는 거죠. 그래서 기초과학연구원이라는 데가 생겨나, 한국에서 비싼 연구하는데도 팍팍 지원을 해주고 있어요. 여러분도 그런 얼마든지 도전할 수 있는, 그런 곳입니다.

사람들이 들어가서 작업하죠? 실제 연구원들이 들어가서 하는 것입니다. 그리고 레이저를 이용해서 전자를 가속할 수 있고, 파도 탈 때, 파도가 사람을 확 미는 것처럼, 레이저로 플라즈마를 만들어서 플라즈마가 전자를 확 밀어줘요. 전자를 아주 짧은 거리에서 높은 에너지로 가속할 수 있고. 양성자도 박막 표적인데 여기다 쪼이면 양성자도 가속을 할 수 있어요. 세일보트에서 돛을 레이저로 밀어서 사람을 끌고 가는 것처럼, 양성자를 가속시키면 된다. 전자를 가속하는데, 전자가 원을 뺑뺑 돌 때 x선 같은 게 나오죠. 포항에 있는 것만 해도 직경이 160m예요, 그런데 레이저를 이용하면 훨씬 작은 데에서도 그 정도의 전자에너지를 얻을 수 있어요. 그런 연구들, 양성자 가속을 한다고 했는데, 그 중에 상당히 저희가 희망을 거는 분야는 양성자를 이용해서 암치료를 하면은 아주 효과가 좋다고 해요. 보통 x선이나 감마선 가지고 쪼여서 암세포를 파괴하자나요? x선을 쪼이면 들어가는 경로에 있는 멀쩡한 세포도 다 죽는데, 더 문제가 되는 것은 x선이 표면에서 흡수가 더 많이 되요. 암세포는 저 안에 있는데, 암세포에 에너지가 흡수되건 조금인데, 중간에 경로에 있는 세포가 흡수하면 변질이 될 수 있죠. 그래서 사람 몸을 뺑뺑 돌리든가 아니면 여러 방향에서 조사해서 암세포 쪽은 서로 겹치게 하는 거예요. 그런데 양성자 빔을 쏘면 들어가는 표면에는 흡수가 잘 안되고, 암세포만 확 흡수되는 기술입니다. 일산에 암치료 센터가 있어요. 그래서 거기는 가속기를 이용하는데, 레이저를 쓰면 훨씬 가격을 싸게 할 수 있는 시설도 가능하다.

이런 레이저를 이용해서 우리가 할 수 있는 일들, 시간적 공간적으로 상당히 우리의 지평선을 넓혀주는. 원자세계 분자세계, 앞으로는 소립자세계까지 연구하는 시대가 오지 않을까 하는 시대가 오지 않을까? 하고 있고요. 지금까지 레이저 이야기 여러 가지를 했지만, 저거도 고등학생이 오는 걸로 생각했는데, 하여튼, 레이저가 상당히 많은 기초과학이나 이런 걸 변화시키고 있죠. 그래서 뭔가 우리의 상상력을 동원하면 지금은 꿈같은 이야기가 앞으로는 5년 10년 뒤에는 현실화할 수 있다. 그런 거죠. 여러분들 아직 중학생 초등학생 고등학생도 있고 그런데 여러분들이 활약할 때는 적어도 10년 뒤 20년 뒤죠. 그 때가면 단순히 내가 열심히 해도 수준이 이정도 밖에 안돼서 못한다. 그럴 이유가 없어요. 앞으로 기초과학 연구원들이 여러분들이 앞으로 10년 뒤 20년 뒤 할 공간을 잘 닦아둘 테니깐 도전하십시오. 감사합니다.

(사회자)
한 시간 반 동안 열띤 강의해주신 교수님께 다시 한 번 큰 박수 부탁 드리겠습니다.
지금 간단하게 질의응답시간이 있습니다. 이 기회에 집에 가서 질문할 걸하고 후회하지 말고 여기서 질문하는 시간이 있겠습니다.

(학생)
GIST도 KAIST처럼 대학교 같은 것인가요?

(교수님)
GIST, KAIST, 어떻게 보면 답은 예스에요. GIST가 처음 시작할 때부터 KAIST랑 같이하려고 했다가 독립을 한건데, 현재 KAIST도 학부가 생겼고 GIST도 이제 대학 학부가 생겼어요. 금년에 첫 졸업생이 나왔고 내년가면 두 번째 졸업생이 나오고 GIST 대학은 현재 작금년에 170명 뽑았고, 내년은 200명 뽑을 거예요. 200명이상은 안 뽑으려고 합니다. 그래서 GIST 안에도 대학도 있고 대학원도 있습니다.

(학생)
아까 설명하시던 내용 중에 아토초에서 변조라는 단어가 나왔는데 그게 뭐예요?

(교수님)
설명은 안 했는데, 그림에는 있었죠? 변조라는 것은, 당첨(산물증정). 레이저를 원래 쪼여주게 되면 레이저의 전기장이 지금은 강력한 전기장이 되어, 원자의 상태가 변하게 된다. 원자핵이 있으면 전자가 뒤를 운동하고 있는데, 강력한 레이저는 전자기파예요. 레이저 빛이. 전기장도 있고 자기장도 있는데 전기장이 세요. 전기장이 전자에 힘을 가해요. 전자가 힘을 받으면 핵은 무거우니깐 잘 안 움직이고 전자가 가벼우니깐 전자가 전기장에 의해 힘을 받아 운동을 하게 되죠. 그 다음에 레이저 전기장은 주기가 있어서 반주기가 지나면 부호가 바뀌어요. 방향이 바뀌어요. 전기장이 이쪽으로 가면 전자는 바대로 가죠. 운동이 원자상태에서 변조가 된다는 가는 거예요. 규칙적으로 변조가 일어나면서 빛이 일어나게 되는데, 규칙적으로 레이저의 힘에 의해서 변하는 것을 변조라고 한다.


(학생)
레이저에서 거울을 두 개 두잖아요, 하나는 안 통하고 하나는 1%만 통한다고 하는데,
두 개가 다 안 통하게 하면 어떻게 되나요?

(교수님)
공진기에 빛이 100%미러, 하나는 99%미러 라고 예를 들어서 말했는데, 빛이 원래는 자발방출 하는 건데, 공진기 거울의 방향에 가서 딱 되돌아오는 게 생기겠죠. 그럼 다시 이게 이득매질을 지나가면 빛이 한 개가 두 개가 되고, 그리고 빛이 조금 새나가고,
완전히 안 새나오게 한다. 그럼 그 안에서 왔다 갔다 하면 에너지가 점점 크게 잡히는 거죠. 그래서 가끔 한 번씩 뽑아낼 수 있어요. 우리가 광학부품을 놔서, 조금씩 세어나가는 것보다 한꺼번에 나가는 것이 가능하겠죠. 그래서 한꺼번에 큰 퍼스 만들 때, 그때는 다 반사하는걸 썼다가 한 번에 뽑아 낼 수 있죠. 1%만 새느냐 5%만 새느냐는 10%새느냐는 빛의 세기에 따라 너무 많이 새나가면 증폭하기 전에 다 새나가 버리는 거라서 레이저가 세지지 않죠. 그래서 이것을 잘 디자인을 해야 하죠. 아이에 안 새나게 하면 한꺼번에 쓸 수 있고, 또 다른 아이디어를 낼 수 있죠. 항상 새나가게 하는 공진기를 만드는 것은 없어요, 어떤 거는 한번만 반사해서 세게 하는 이런 것도 가능해요. 이쪽에는 100%반사 이쪽에는 100%투과 이런걸 할 수 있죠.

(학생)
탄산가스 레이저에서, 에너지를 줄 때 전자와 산소원자를 제공해서 탄산요인이 된 건가요?

(교수님)
레이저 발진은 좀 더 복잡한데, 탄산가스 레이저. 탄산가스만 넣지 않고 다른 기체도 넣어요. 네온도 넣고, 헬륨도 넣어요. 네온에다 먼저 에너지를 주고, 네온에 있는 에너지가 탄산가스 분자로 전달되게, 에너지 주기가 비슷해요, 거기서 레이저 발진이 일어나고, 맨 밑 바닥에 떨어지는 게 아니라서, 거기 밑에 있는 에너지 상태 동작을 침수 시켜야하는 게 필요한데 그게 헬륨이에요. 그래서 헬룸이 충돌해서 그 상태를 없어지게 하는.

(학생)
레이저 실험할 때 인체에 비치는 영향 같은 게 있나요?

(교수님)
레이저 실험할 때 인체에 미치는 안전문제, 아주 중요한 문제예요. 아까 이야기했지만 레이저 실험할 때 가장 위험한 것은 눈이에요. 빛이 눈에 들어가면 망막이 다쳐요, 세계적으로 보면 가끔 사고가 일어나요. 이렇게 쳐다보고 있다가 사고 당하는 사람도 있고, 그냥 망막에 점이 찍힌 사람도 있고 그런데, 그런 건 보호안경이 있어요. 레이저는 특정 파장영역이 정해져 있어서 파장만 흡수하고 다른 건 흡수를 하지 않죠. 그래서 실험할 때 항상 쓰게 하게 하고, 전기나 높은 전압도 여러 분야에 주의해야 할 부분인데, 여기서 제일 크게 신경 쓰는 부분은 눈보호.

(학생)
에너지 출력을 높여서 한 번에 쏘게 되면 무엇을 파괴시킬 수 있나요?
(교수님)
증폭기를 달아서 에너지를 키워요. 아까 동영상 쫙 보면 증폭기가 있어요. 에너지가 점점 높아지면, 그게 거쳐서 에너지가 높아지면 한꺼번에 공진기에서 출력을 확 뽑아낼 수 있으면 가장 좋고, 그건 가장 간단하고 좋으니깐. 그러려면 산업용은 단순하게 해서 큰 출력을 내는 것 연구해야 해요. 그럼 레이저 설계를 특별하게 해야 하죠.

(학생)
레이저를 반사시켜 방어를 할 수 있지 않을까요?

(교수님)
레이저를 반사시켜 방어를 하자. 당연이 들어오는 레이저의 파장 종류를 알면 할 수 있죠. 그런 것은 당연히 생각을 하는 분야고, 그런데 어떤 빛이 오는지 잘 알아야 해요. 큰 빛을 쓰더라도 손상이 되기 시작하면 성질이 확 파괴가 되어버립니다. 아주 높은 출력을 가하면 막기가 쉽지는 않아요. 약간의 방어는 할 수 있겠죠.

(학생)
아까 변조 설명하실 때, 아까 전자가 왔다 갔다 한다고 하셨는데, 그럼 전자가 들뜬 상태였다가 내려왔다 하나요?

(교수님)
이건 아주 센 전기장이라서 자유전자처럼 운동하는 거예요. 이건 완전 이원화가 됐다가, 되돌아오는.

(학생)
맨 처음에 레이저를 가지고 다양하게 활용할 수 있다는 게 있다고 하셨는데, 앞으로 더 사용할 수 있을게 있을까요?

(교수님)
레이저를 활용하는 것은 상상이에요. 레이저는 현재 너무 다양하게 쓰입니다. 상상력만 있으면 레이저만 가지고 아트라고 그러나? 레이저로 미술하는 레이저 아트도 있죠. 그것만 봐도 끝이 없어요.

(학생)
레이저의 에너지가 점점 더 커지면, 레이저를 육안으로 볼 때 어떤 변화가 있나요? 색이 다른
지?

(교수님)
육안으로 볼 때는 사실은 빛이 들어와야 눈으로 볼 수 있어요. 레이저가 지나갈 때 진공상태에 지나가면 보이지 않아요. 근데 공기 중에는 공기분자들에서 산란되는걸 볼 수 있어요. 그래서 산란될 때 그래도 파장이 반사되면 그 색이 보이는 거고, 레이저 경로에 녹색이나 빨간색이 보이는 것은 잘 보면 레이저의 산란이라고 해서 파장이 그대로 나와 살짝 보이게 되는 그건 공기분자에 의해 보이는 거죠. 뭐 세다고 그게 바뀌는 건 아니죠. 파장이 바뀌는 게 아니죠.

(사회자)
여러분 마지막까지 열띤 질의응답시간은 도서관 프로그램 운영하면서 처음 봤던 것 같습니다.
교수님께 다시 한 번 감사인사 드립니다.