노벨상

노벨상 성과에 투자하기 – 레이저의 잠재력

게시일 2024년 7월 31일

업데이트일 2026년 10월 11일

작성자

Jonathan Schramm

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노벨상 역사

노벨상은 과학과 문화 분야의 대표적인 국제상이다. 알프레드 노벨의 유언에 따라 “인류에게 가장 큰 이익을 가져다준 사람들”을 물리학, 화학, 생리의학, 문학, 평화 분야에서 기리기 위해 마련됐다. 경제학상은 이후 스웨덴 중앙은행이 노벨을 기념해 별도로 제정했다.

수상자는 분야별 기관이 선정한다. 과학상 등을 담당하는 스웨덴 기관들과 달리 평화상은 노르웨이 노벨위원회가 선정한다.

유산에 대한 우려

노벨이 형제의 사망을 자신과 혼동한 부고를 읽고 유산을 돌아봤다는 이야기가 널리 알려져 있다. 다만 이 일화가 상 제정의 직접적인 원인이었다고 확정하기는 어렵다. 다이너마이트는 노벨의 대표 발명품이지만 무연화약과 같은 물질은 아니다.

노벨은 화학자이자 발명가, 사업가였으며 군수산업에도 관여했다. 그의 유언은 재산을 인류에 이익을 주는 업적을 기리는 데 쓰도록 했다.

노벨상

노벨재단은 기금을 운용해 상금과 관련 활동을 지원한다. 수상자는 메달, 증서, 상금을 받는다. 2024년 상금은 각 상에 총 1,100만 스웨덴크로나였으며, 달러 환산액은 환율에 따라 달라진다.

출처: Britannica

한 상을 여러 수상자가 나누는 경우가 있다. 과학 분야에서는 관련 업적에 기여한 두세 명이 공동 수상하는 일이 흔하다.

노벨상은 이론적 발견과 실용적인 성과 모두를 기려 왔다. 대표적인 주제로는 방사능, 항생제, 엑스선, 중합효소연쇄반응(PCR) 등이 있다. 기초과학에서는 태양의 에너지원, 전자 전하, 원자 구조, 초유동성 등의 업적이 수상했다.

레이저의 잠재력

1960년 최초의 레이저가 작동한 뒤 레이저는 물리학의 중요한 도구가 됐다. 레이저는 높은 결맞음과 방향성을 가진 빛을 낼 수 있다. 그러나 모든 레이저가 정확히 하나의 파장만 내거나 거리에 관계없이 전혀 퍼지지 않는 것은 아니다.

출처: Britannica

레이저와 메이저의 기반이 된 연구는 1964년 찰스 타운스, 니콜라이 바소프, 알렉산드르 프로호로프의 노벨 물리학상으로 이어졌다. 이들은 레이저·메이저 원리에 기반한 발진기와 증폭기를 가능하게 한 양자전자공학의 기초 연구로 수상했다. 최초 레이저를 만든 모든 사람을 이 세 명과 동일시해서는 안 된다.

레이저는 산업 가공과 통신을 비롯해 다양한 분야에 응용될 가능성을 빠르게 보여 줬다.

다른 연구자들은 빛으로 물체를 조작하거나 매우 짧고 강한 펄스를 만드는 방법을 발전시켰다. 이러한 성과가 2018년 노벨 물리학상으로 이어졌다.

Arthur Ashkin은 빛이 전달하는 운동량과 빛의 세기 변화에 따른 힘으로 미세한 물체를 움직이는 방법을 연구했다. 한편 Gérard Mourou와 Donna Strickland는 매우 짧고 강한 레이저 펄스를 만드는 방법을 개발했다. 이후에도 성능 개선과 새로운 응용 연구가 이어졌다.

출처: Nobel Prize

빛으로 밀어내기

빛을 이루는 광자는 정지질량이 없지만 에너지와 운동량을 전달한다. 따라서 물체에 기계적으로 접촉하지 않고도 힘을 가할 수 있다.

이 힘은 일상적인 조건에서는 작아 관찰과 활용이 쉽지 않다. 미세 입자 조작이나 우주 범선은 대표적인 활용 예이며, 가능한 적용 분야가 이 두 가지로만 한정되는 것은 아니다.

벨 연구소의 아서 애슈킨은 마이크로미터 크기의 투명한 구를 이용해 레이저가 입자를 밀 수 있음을 확인했다.

입자가 빔의 중심 쪽으로 모이는 현상도 관찰됐다. 이는 단순히 빛이 한 방향으로 미는 효과뿐 아니라, 빛의 세기 기울기와 입자의 광학적 특성에서 생기는 힘이 작용하기 때문이다.

빛으로 입자 가두기

애슈킨은 렌즈로 레이저를 강하게 집속해 입자를 붙잡는 광학 집게를 발전시켰다. 적절한 조건에서는 기울기 힘과 산란력이 균형을 이루어 입자가 초점 부근에 머무른다.

출처: Nobel Prize

1986년 단일 빔 기울기 힘 광학 트랩이 보고됐고, 광학 집게라는 이름으로 널리 알려졌다. 여러 크기의 미세 입자를 붙잡는 데 활용됐다.

빛을 이용한 포획과 조작은 원자 물리학에서도 중요하다. 다만 원자 냉각과 포획의 모든 기법을 미세 입자용 광학 집게와 같은 원리로 단순화할 수는 없다.

생세포를 자유롭게 조작하기

애슈킨은 바이러스와 세균 같은 생물학적 대상에도 관심을 가졌다. 시료 손상을 줄이기 위해 적절한 파장과 세기의 적외선 레이저를 사용했으며, 세포와 그 구성요소의 조작 가능성을 보여 줬다. 적외선도 조건에 따라 손상을 일으킬 수 있다.

이 기술은 세균 편모가 만드는 토크, 세포골격과 분자 모터가 만드는 힘, 세포 내부 구성요소의 움직임 등을 연구하는 도구로 발전했다.

출처: Nobel Prize

정밀도가 개선되면서 DNA와 RNA의 기계적 성질, 단백질 분해 효소와 분자 모터의 작용 등을 연구할 수 있게 됐다. 분자를 연결한 표지 입자를 통해 힘과 변위를 측정하는 경우가 많다.

이 분야에서는 새로운 방법이 계속 연구되고 있으며, 예를 들어 홀로그래픽 광학 집게는 여러 포획 지점을 동시에 제어할 수 있다.

빛 대신 음파를 이용하는 음향 집게도 연구되고 있다. 관련 가능성은 “음파를 이용한 새로운 기술이 표적 약물 전달에 도움이 될 수 있다”에서 다뤘다.

초고속 레이저 펄스

레이저는 연속파와 펄스 방식으로 활용된다. 매우 짧은 시간에 에너지를 전달하는 펄스는 높은 순간 출력을 필요로 하는 실험과 가공에 유용하다.

초기에는 모드 잠금 레이저와 증폭 기술을 발전시켜 나노줄 수준의 펄스 에너지를 밀리줄 수준으로 높였다. 이는 에너지의 백만 배 증가이며, 펄스 길이를 고려하지 않고 같은 비율의 출력 증가라고 단정할 수는 없다.1970년대에는 높은 피크 세기가 증폭 매질을 손상시키는 문제가 성능 개선의 제약이 됐다.

출처: Nobel Prize

빔의 지름을 키워 세기를 낮추는 방법도 있었지만 대형 장치는 비용이 많이 들고 반복률에도 제약이 있었다. 이는 강한 펄스를 자주 필요로 하는 실험에 불편을 줬다.

처프 펄스 증폭(CPA)의 등장

로체스터대학교의 박사과정 학생 도나 스트리클런드와 지도교수 제라르 무루는 이 문제를 해결할 방법을 연구했다. 그 성과가 2018년 노벨상의 공동 수상 근거가 됐다.

핵심은 펄스를 시간적으로 늘려 피크 출력을 낮춘 상태에서 증폭한 다음 다시 짧게 압축하는 것이다. 이 방법을 처프 펄스 증폭, 즉 CPA라고 한다. 펄스의 주파수 성분과 시간의 관계를 이용해 늘리고 압축한다.

실제 구현에는 광섬유와 펄스 압축 장치 등 정밀한 설계가 필요했다. 두 연구자는 1985년 CPA를 보고했고, 이후 이 기술은 고출력 초단펄스 레이저의 기반이 됐다.

출처: Nobel Prize

초고속 레이저 펄스 응용

극소 시간 관측

초단펄스는 매우 빠른 현상을 관측하는 데 쓰인다. 펨토초는 10의 마이너스 15승 초이며, 분자의 움직임과 화학반응을 시간에 따라 연구하는 데 유용하다.

출처: Nobel Prize

더 짧은 시간 척도인 아토초 과학도 발전했다. 아토초는 펨토초의 1,000분의 1인 10의 마이너스 18승 초다. 이를 통해 원자와 분자, 응집물질 안의 전자 동역학을 연구할 수 있다.

의료 활용

고강도 레이저와 플라스마를 이용해 전자나 양성자를 가속하는 기술은 방사선 치료용 가속기 소형화의 가능성으로 연구되고 있다. 그러나 이런 방식이 이미 일반 병원에서 표준 치료를 대체하고 있다고 말할 수는 없다.

초단펄스 레이저는 일부 안과 수술에서 정밀 절개에 사용된다. 라식의 각막 절편 제작과 망막 광응고는 서로 다른 절차이며, 당뇨망막병증의 광응고를 일반적으로 펨토초 레이저 응용으로 묶는 것은 부정확하다.

출처: Nobel Prize

재료 과학

레이저는 재료를 정밀하게 가공할 수 있지만 에너지가 주변으로 퍼지면 열 손상과 충격이 생길 수 있다.

펨토초 펄스는 열이 확산되는 시간을 줄여 열 영향 영역을 작게 만들 수 있다. 모든 조건에서 가열이나 손상이 완전히 사라지는 것은 아니다.

출처: Nobel Prize

관련 응용에는 안과 수술, 데이터 저장, 혈관 등에 삽입하는 작은 금속망인 스텐트의 정밀 가공이 포함된다.

레이저 기술에 투자하기

레이저는 광디스크, 수술, 3D 프린팅, 반도체 가공, 제조 및 생명과학 장비에 활용된다. 한 시장조사에서는 시장 규모를 178억 달러로 추정하고 2030년까지 연평균 7.8% 성장할 것으로 전망했다. 조사 범위와 기준 연도에 따라 수치는 달라지며 성장률은 확정된 결과가 아니다.

레이저의 가능성은 “기술 발전과 함께 향후 수십 년간 중요한 역할을 할 레이저”에서 더 살펴봤다. 국방, 의료, 핵융합 등에서도 연구가 이어지고 있다.

관련 기업을 살펴보려면 securities.io에서 지역별 증권사 안내를 참고할 수 있다. 대상 지역에는 미국, 캐나다, 호주, 영국, 그 밖의 여러 국가가 포함된다.

개별 기업 대신 여러 종목에 분산하려면 기술 ETF도 검토할 수 있다. 예를 들어 iShares U.S. Technology ETF (IYW) 또는 ProShares Nanotechnology ETF (TINY)가 있다. 다만 이런 상품은 레이저에만 투자하는 펀드가 아니며, 보유 종목과 위험은 각 펀드의 투자설명서를 통해 확인해야 한다.