에너지
레이저는 기술이 진보함에 따라 다가오는 수십 년 동안 핵심적인 역할을 할 예정입니다
레이저는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(자극 방출에 의한 빛 증폭)의 약자로, 특정 파장에서 빛을 방출하고 그 빛을 증폭시켜 매우 좁고 밝은 빔을 작은 지점에 집중시키는 장치입니다. 섬유 레이저, 가스 레이저, 고체 레이저, 염료 레이저, 다이오드 레이저 등 다양한 유형의 레이저가 있으며, 이들은 모두 기본적인 구성 요소를 공유합니다.
오늘날 레이저는 블루레이, CD, DVD 플레이어, 바코드 스캐너와 같은 소비자 제품부터 레이저 프린터 및 라식 눈 수술에 이르기까지 우리가 매일 사용하는 많은 제품의 핵심 요소입니다. 또한 레이저는 다양한 재료를 측정, 절단, 조각, 천공 및 표기하는 데 사용됩니다.
첫 번째 레이저는 1960년에 알베르트 아인슈타인의 자극 방출 연구를 기반으로 개발되었으며, 이 연구로 그는 1921년 노벨상을 수상했습니다. 그 이후로 전 세계 레이저 기술 시장은 크게 성장했으며 2027년까지 256억 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다.
레이저 기술의 적용
레이저는 단색이며 제어된, 정확히 방향이 지정된 빛 빔을 제공함으로써 매우 실용적인 도구임이 입증되었습니다. 현대의 중요한 적용 분야는 광섬유 통신, 레이저 가공 및 제조, 미량 원소 탐지, 레이저 계측, 그리고 의료 영상 등입니다.
빛 자체에 대한 과학은 변하지 않았지만, 레이저 기술은 수년간 급속히 발전했습니다. 따라서 수십 년 전에 발명되었지만, 기술의 진보가 결국 레이저가 우리가 항상 기대해 온 역할을 수행하도록 만들었습니다.
이제, 최신 발전 상황과 이 기술이 다양한 산업에서 가능하게 만든 모든 것을 살펴보겠습니다!
통신
거대한 양의 데이터를 높은 속도와 효율성, 향상된 보안으로 전송할 수 있는 안전한 네트워크 구축을 가능하게 함으로써, 레이저 기술은 위성 통신 분야에서 게임 체인저로 부상하고 있습니다. 그 결과, 전 세계 우주 기반 레이저 통신 시장은 2031년까지 4배 성장할 것으로 예상되며, Straits Research에 따르면.
이 분야에서 레이저는 위성 간 통신 및 위성-지상 연결과 같은 다양한 응용 분야를 제공합니다. 그리고 궤도 위성 수가 계속 증가함에 따라, 우주 기반 레이저 통신은 위성 통신 시스템에서 더욱 중요한 역할을 차지하게 될 것입니다.
최근 NASA는 Deep Space Optical Communications (DSOC) 시스템의 첫 성공적인 시험을 수행했으며, 이는 레이저 빛으로 정보를 전송하는 차세대 통신 링크입니다. 심우주 통신을 가속화하기 위한 일련의 시험 중 이번 시험은 가장 먼 거리에서의 레이저 통신이었습니다. 성공한다면, NASA 관계자들은 향후 수십 년 동안 우주비행사들이 지상 통제와 연결하기 위한 수단으로 사용할 것으로 기대하고 있습니다.
레이저 통신은 특히 대기와 관련된 많은 도전에 직면해 있지만, 적응 광학, 빔 스티어링, 오류 정정 알고리즘과 같은 혁신적인 기술이 이러한 영향을 완화하기 위해 연구되고 있으며, 이는 레이저 통신의 실용적 구현을 앞당길 것입니다.
따라서 우주에서 레이저 통신이 전형적으로 사용되어 왔지만, 레이저 통신의 실용성을 높이기 위한 연구, 개발 및 투자가 진행되고 있습니다. 대역폭을 확대하고 다양한 대기 조건에서 작동하도록 함으로써 레이저 통신은 방위, 민간, 상업 및 농업 시장에서의 적용이 확대될 것입니다.
국제 사회에서도 레이저 통신 시스템의 상호 운용성과 광범위한 채택을 보장하기 위한 표준화 작업이 진행 중입니다.
방위
군사 산업은 작동이 간편하고 정밀하며 부수적 피해가 없는 레이저 무기 개발에 집중하고 있습니다. 또한 전 세계 군대가 치명적인 드론을 널리 확보함에 따라 레이저 무기의 능력이 모든 군대의 핵심 과제로 부각되었습니다.
지난 해, 러시아가 레이저 무기인 Persevet와 Zadira를 전투에서 적 드론을 격멸하기 위해 최초로 사용한 국가가 되었다는 추측이 있었습니다. 미국도 레이저 기반 방공 분야에서 작업을 진전시키고 있습니다.
올해 초, 록히드 마틴의 전술 레이저 무기 DEIMOS 시스템이 ‘첫 빛’ 이정표를 달성했습니다. 이 미국 기업은 또한 이스라엘의 최초 레이저 기반 Iron Beam 방공 시스템의 일원으로, 레이저 빔을 조준해 적 항공기, 로켓, UAV 및 박격포를 격추할 수 있습니다.
레이저 시스템이 주목받으면서, 과학자들은 섬유 레이저의 출력은 크게 늘리면서도 빔 품질을 유지하는 새로운 방법을 발견했으며, 이는 저비용 드론에 대한 미래 핵심 방위 기술이 될 것입니다.
이 돌파구는 다중모드 광섬유를 활용해 섬유 레이저의 출력량을 3배에서 9배까지 크게 증가시키면서 빔 품질을 저하시키지 않는 것을 포함합니다. 이를 달성하면 레이저가 먼 목표물을 효과적으로 조준할 수 있어 매우 높은 출력이 가능해집니다. 이러한 출력 증가는 섬유 레이저의 활용도를 높여 방위 산업에서 더욱 가치 있게 만듭니다.
또 다른 군사 강국인 중국도 레이저 무기 분야에서 큰 진전을 이루고 있으며, 몇 달 전 중국 군사 과학자들은 고에너지 레이저가 폐열이 축적되지 않아 ‘무한히’ 작동할 수 있는 새로운 냉각 시스템을 개발했다고 주장했습니다. 이는 레이저 무기 개발에서 큰 기술적 과제였습니다.
이를 통해 무기는 이제 성능 저하나 중단 없이 원하는 만큼 레이저 빔을 지속적으로 생성할 수 있게 되었습니다. 첨단 구조를 활용한 이 새로운 시스템은 사거리와 파괴력을 높이고 교전 시간을 연장하며 비용을 절감함으로써 방위 분야의 판도를 크게 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.
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보건
방위 분야 외에도 레이저 기술은 높은 정확도, 생산성, 지속 가능성 및 적응력 덕분에 의료 분야에서도 광범위하게 사용됩니다. 이 분야에서는 새로운 보철물 및 의료용 도구를 개발하는 데 기술이 활용되고 있으며, 의료 장비 제조업체는 레이저를 이용해 새로운 의료 장비를 편리하게 설계·개발하고 있습니다.
레이저 사용은 제조 과정에서 인력 및 기타 비용을 절감합니다. 또한 클리닉과 병원에서 위조품을 식별할 수 있습니다. 더 나아가 외과 의사는 레이저를 이용해 복잡한 수술을 손쉽게 수행할 수 있습니다.
안과, 치과, 피부과에서 비뇨기과에 이르기까지 레이저 기술은 의료 분야에서 사용이 증가하고 있으며, 심장 질환, 녹내장, 종양, 암, 정맥류, 전립선 문제, 무릎 부상 및 신장 결석 등의 치료에 활용됩니다. 한편 레이저 기반 초음파 시스템은 신체 내부 구조의 영상을 제공하며, 시간이 지남에 따라 질병 진행 단계를 추적할 가능성을 가지고 있습니다.
이와 더불어 레이저 기술은 선택적 레이저 섬유소성형술, 광역학 요법, 문신 제거, 피부 재생, 저출력 레이저 치료(LLLT), 제모와 같은 비침습적 의료 치료에도 사용됩니다. 특히 저출력 레이저 치료(LLLT)는 안전성과 환자 편안함 측면에서 뚜렷한 장점을 제공하며 약물 치료에 의존하지 않아 치과 분야에서 두드러집니다.
게다가 FDA가 20년 넘게 전 인간용 치료용 레이저에 최초 승인을 내린 이후, 레이저 치료와 그 치료 응용은 크게 발전했으며 통증 완화, 조직 재생 및 전반적인 웰빙 증진에 널리 활용되고 있습니다.
또한 레이저를 이용해 모기가 인간을 물어 질병을 전파하는 것을 방지하는 용도도 있습니다. Photonic Fence Monitoring Device(PFMD)와 같은 제품은 비행 중인 곤충을 모니터링하고, 목표로 식별된 곤충을 레이저 에너지의 미세 폭발로 격파하여 제거합니다. PFMD의 첫 적용 사례는 농업, 숙박업, 정부, 군사 및 주거 해충 방제 시장에서 유해 곤충 침입에 대한 매개체 관리 조치의 설계와 효과를 테스트하는 것입니다.
분석 및 실험
레이저 기술은 고유한 특성, 정밀성 및 다재다능성 때문에 다양한 분석 및 실험 분야에서 중요한 역할을 합니다.
원자 및 분자 물리학에서 연구원들은 레이저를 이용해 원자를 극히 낮은 온도로 감속 및 포획하고 있습니다. 레이저를 이용해 양자 상태를 제어하는 것 외에도, 조정 가능한 광원은 원자와 분자의 에너지 준위 및 전이를 연구하는 데 도움이 됩니다.
40년 전 처음 시연되어 원자 물리학에 혁신을 가져온 레이저 냉각은 양자 정보, 양자 퇴화 가스, 원자 시계 및 기본 물리학 테스트 등에 활용되어 왔으며, 이제는 반물질에 적용되고 있습니다. 레이저 빛으로 반물질 원자의 움직임을 제어할 수 있게 되면, 반원자 분수와 반물질 분자 생성과 같은 미래 실험에 획기적인 기회를 제공할 것으로 기대됩니다.
2021년, CERN의 ALPHA 협력팀은 레이저 빛을 이용해 가장 단순한 형태의 원자 반물질인 반수소 원자를 냉각하는 데 성공했으며, 이는 ‘분광 및 중력 측정에 있어 게임 체인저’로 평가됩니다.
한편, 레이저-플라즈마 상호작용을 기반으로 한 입자 가속에 대한 연구도 진행 중이며, 이는 우주를 이해하는 데 기여합니다. 화학 반응을 이해함으로써 모든 생명체의 진화를 파악하는 것 외에도, 이러한 기술은 암 치료에도 도움이 될 수 있으며, 기존 X선 방사선 치료에 대한 대안을 제공할 수 있습니다. 레이저-플라즈마 기반 입자 가속 기술은 매우 짧은 거리에서 매우 높은 에너지를 달성하게 하여, 부피 측면에서 상당한 이점을 가져올 가능성이 있습니다.
레이저 기술은 또한 레이저 보조 환원, 레이저 박리, 레이저 어블레이션 등 다양한 레이저 기반 공정을 통해 독특한 화학·물리적 특성을 가진 나노물질을 생산하는 데 활용됩니다.
청정 에너지 / 핵융합
전 세계적으로 재생 에너지의 지속적인 성장으로 레이저 가공 기술에 대한 기회가 늘어나고 있습니다. 청정 에너지 산업에서는 레이저 기술이 새로운 에너지 생산 장비 제조와 수명 종료 시 발전소 폐쇄에 활용됩니다.
제조에 활용되는 것 외에도, 레이저는 클래딩(레이저 금속 증착)에도 사용되어 처리 표면의 특성을 향상시킵니다. 한편 마이크로 가스 터빈 부품은 섬유 레이저 청소를 통해 혜택을 받을 수 있습니다.
태양광 에너지 분야에서는 레이저 가공된 전극이 태양전지 효율을 향상시키는 데 유망성을 보이며, 반도체 웨이퍼 절단·표시와 대형 태양광 패널 개별 셀의 전기 회로 분리에도 사용됩니다.
앞으로 레이저를 이용해 차세대 태양광 패널을 제작하고, 재생 에너지로 생산된 전력을 저장하는 배터리 생산에도 활용될 수 있을 것입니다.
레이저 기술은 핵융합 분야에서도 활용됩니다. 1년 전, 미국 에너지 장관은 레이저 기반 핵융합에서 획기적인 성과를 발표했는데, 연구소가 지구상에 작은 태양을 만들었습니다. 이 실험에 사용된 광원은 세계 최대 규모의 레이저로, 192개의 빔라인을 이용해 펄스를 생성했습니다. 레이저 빔은 투입된 에너지보다 54% 더 많은 에너지를 생산했습니다.
올해, 192개의 레이저가 중수소와 삼중수소(수소의 무거운 동위원소)로 채워진 작은 캡슐을 압축해 핵융합 반응을 일으켰으며, 이 과정에서 레이저 빔이 목표물에 비춘 에너지보다 더 많은 에너지를 생성했습니다.
전 로체스터 대학교 레이저 융합 연구소 소장이었으며 현재 캘리포니아 대학교에 재직 중인 마이클 캠벨에 따르면:
“향후 몇 년 안에 5~10 MJ의 출력이 충분히 가능할 것으로 보입니다.”
하지만 이를 위해서는 고에너지·고평균출력 펄스 레이저를 라인 교체형 유닛으로 구축해야 하며, 이는 새로운 산업 응용 분야를 다수 창출할 것입니다.
레이저 기술에 집중하는 기업들
이제 레이저 또는 레이저 기반 기술을 개발하고 있는 주요 기업들을 살펴보겠습니다:
#1. Lockheed Martin Corporation (LMT)
핵융합 연구에도 참여하고 있는 선도적인 방위 및 항공우주 기업으로, 시가총액은 1,117억 달러이며 최근 12개월(TTM) 매출은 676억 달러입니다.
(LMT )
주가가 450.4달러에 거래되고 있으며, 올해 7.42% 하락했지만 배당 수익률은 2.80%를 제공하고 있습니다. 회사의 EPS(TTM)는 27.38이며, P/E(TTM)는 16.45입니다.
지난 해, 록히드는 미 국방부에 고에너지 레이저 무기 시스템을 납품했으며, 올해는 미 육군이 다시 이 회사에 간접 화력 방어 레이저 프로토타입 개발 계약을 부여했습니다.
#2. Coherent, Inc. (COHR)
통신, 재료 가공, 의료 등 다양한 분야용 레이저 시스템을 선도적으로 제조하는 Coherent Corp.는 시가총액 54억 5천만 달러를 보유하고 있습니다.
(COHR )
작성 시점 기준, 주가는 36.02달러에 거래되고 있으며 연초 대비 2.62% 상승했습니다. 최근 12개월 연속으로 Coherent는 48억 6,900만 달러의 매출을 보고했으며, EPS(TTM)는 -3.01, P/E(TTM)는 -11.96을 기록했습니다.
#3. IPG Photonics Corporation (IPGP)
이 회사는 재료 가공, 의료 및 첨단 응용 분야에 사용되는 레이저 솔루션을 생산합니다. 몇 달 전, IPG Photonics는 ‘최고’ 단일모드 코어 출력을 가진 듀얼빔 레이저를 출시했습니다.
(IPGP )
청정 에너지 연구에도 참여하고 있는 IPG Photonics의 주가는 95.62달러에 거래되고 있으며, 매출(TTM)은 13억 2천만 달러로 보고되었습니다. 회사의 EPS(TTM)는 1.82이며, P/E(TTM)는 52.40입니다.
#4. Northrop Grumman Corporation (NOC)
Northrop Grumman은 시가총액 708억 달러 규모의 글로벌 항공우주 및 방위 기업이며, 방위용 레이저 시스템 개발에도 참여하고 있습니다.
2023년 10월, 펜타곤의 우주 개발청은 Northrop Grumman에 7억 3,200만 달러 규모의 계약을 체결하여, 해당 기관이 구축 중인 확산 전투병 우주 구조의 일환으로 38개의 ‘데이터 전송’ 위성을 제작하도록 했습니다.
(NOC )
현재 Northrop Grumman의 주가는 469.58달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 13.9% 하락했습니다. 회사의 매출(TTM)은 386억 8,500만 달러이며, 배당 수익률은 1.59%를 제공합니다.
#5. Thermo Fisher Scientific Inc. (TMO)
이 회사는 레이저 기술 기반 장비와 의료 연구, 질병 진단, 신약 발견 및 생산에 사용되는 소모품을 포함한 분석 기기를 제공합니다.
(TMO )
Thermo Fisher의 주가는 올해 11.47% 하락한 487.53달러에 거래되고 있습니다. 회사는 시가총액 1,883억 6천만 달러를 보유하고 있으며, 매출(TTM)은 434억 2,100만 달러를 기록했고, 배당 수익률은 0.29%이며, EPS(TTM)는 15.27, P/E(TTM) 비율은 31.93입니다.
결론
보시다시피 레이저 기술은 거대한 잠재력을 가지고 있으며 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 레이저가 이미 인간의 역량을 향상시키고 있지만, 연구와 발전이 지속됨에 따라 획기적인 진전이 기술을 더욱 강력하게 진화시킬 것입니다. 의료, 센서, 에너지, 전기차부터 디지털화와 양자까지, 레이저 기술은 우리 삶의 광범위한 영역을 변화시킬 준비가 되어 있습니다.
