재료 과학
현대 세계와 미래의 핵심 기술로서의 레이저
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
레이저의 잠재력
1960년 최초의 레이저가 제작되고 이를 가능하게 한 물리학을 발전시킨 과학자들이 1964년 노벨 물리학상을 받은 이후, 레이저 기술은 계속 새로운 용도를 찾아왔습니다. 레이저는 일반적으로 다음 분야에 사용됩니다.
- 각인 및 인쇄,
- 광섬유 통신,
- 광디스크,
- 반도체 제조,
- 수술,
- 의료 치료,
- 측정,
- 군사 표적 지정.
이를 바탕으로 가까운 미래에는 레이저가 제조 공정(용접, 3D 프린팅), 위성 통신, 우주선 추진, 생명공학, 컴퓨팅(포토닉스), 핵융합, 심지어 무기 분야에서도 핵심 기술이 될 수 있습니다.
레이저 원리
레이저는 영어로 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 즉 유도 방출을 통한 빛의 증폭을 뜻하는 약자입니다. 레이저 기술의 핵심은 일반 빛 대신 결맞는 빛을 만드는 것입니다.
결맞는 광선은 하나의 파장에서 매우 좁은 빛을 만들며 장거리에서도 퍼지지 않습니다.
출처: Britannica
레이저는 보통 기체이지만 액체나 고체일 수도 있는 방출 물질의 원자를 자극해 만듭니다. 원자는 빛을 방출하고, 그 빛의 대부분은 레이저 내부에 갇혀 반사되다가 결맞는 광선으로 빠져나옵니다.
레이저는 매우 다양한 파장으로 만들 수 있습니다. 파장마다 빛을 만드는 재료가 달라 작동 방식도 달라집니다. 각 파장은 서로 다른 에너지를 운반하며 표적 물질에 따라 흡수되는 방식도 다릅니다.
의료 분야만 보더라도 목적에 따라 여러 종류의 레이저가 사용됩니다.
(레이저의 과학적 원리에 관심 있는 독자는 “레이저 원리”를 읽어 자세히 알아볼 수 있습니다.)
레이저 기술의 발전
레이저는 오랜 기간 크게 발전했습니다. 새로운 재료가 사용 가능한 파장을 늘리면서 CO2, 루비, 티타늄 사파이어, 그리고 기초 연구가 2023년 노벨 물리학상을 받은 양자점 레이저가 등장했습니다.
그 결과 초단펄스 레이저와 제조 및 의료의 특정 용도에 정밀하게 맞춘 레이저가 가능해졌습니다.
저출력 레이저는 빠르게 저렴해져 1970년대 바코드 스캐너에 탑재됐습니다. 이후 CD와 DVD, 블루레이 디스크에 저장된 데이터를 읽는 데 사용됐습니다.
출처: Laser Warfare
새로운 형태의 레이저도 등장할 수 있습니다. 예를 들어 개방형 공기 레이저는 더 견고하고 가벼워질 수 있습니다.
레이저 응용
극도로 짧은 시간대의 관측
초단 레이저 펄스의 한 가지 용도는 표적을 펨토초, 즉 10억분의 1초의 100만분의 1에 해당하는 아주 짧은 시간 동안 비추는 것입니다.
이를 통해 과거에는 순간적으로 일어난다고 여겼던 분자의 화학 반응 같은 현상을 관찰할 수 있습니다.
출처: Nobel Prize
더 나아가 아토초 과학이라는 완전히 새로운 과학 분야도 열리고 있습니다. 아토초는 펨토초의 1,000분의 1입니다. 과학자들은 이를 통해 원자와 분자 내부의 전자 역학을 연구하고 응집상 물질을 조사할 수 있습니다.
각인 및 제조
레이저는 재료를 매우 정밀하게 가공할 수 있습니다. 그러나 레이저를 너무 오래 사용하면 재료가 빠르게 가열돼 손상을 일으키는 충격파가 생깁니다. 이는 고출력 레이저나 결함이 없어야 하는 재료에서 과거 문제가 됐습니다.
개선된 펨토초 레이저는 가공 능력을 유지하면서도 펄스가 충분히 짧아 과열을 막으므로 이 문제를 해결합니다.
출처: Nobel Prize
오늘날 레이저는 금속뿐 아니라 플라스틱, 목재, 유리의 천공, 절단, 표시, 표면 가공, 용접에 널리 사용됩니다.
“오늘날 제조되는 많은 부품에는 레이저 천공으로만 만들 수 있는 미세한 구조가 필요합니다.
직접 쓰기, 트레패닝, 마스크 투영 같은 방식으로 열 영향이나 재료 손상 없이 다양한 재료에 매우 작고 복잡한 구조를 만들 수 있습니다.”
Laser Light Technologies의 엔지니어링 책임자 Matt Nipper. 이 회사는 현재 Spectrum Plastics의 일부입니다.
현대 레이저 장비는 CNC 장비처럼 첨단 소프트웨어로 제어됩니다. 레이저 제조 장비는 수천 달러짜리 소형 탁상 장치부터 수백만 달러 규모의 공장용 장비까지 다양합니다.
레이저는 전선의 절연재를 제거하는 데 쓰일 만큼 정밀할 수 있습니다.
“절연재는 0.005인치의 공차 범위 내에서 제거할 수 있습니다. 전선의 어느 지점에서든 절연재를 제거하도록 박리 공정을 프로그래밍할 수 있어 전선 중간 부분도 정밀하게 벗겨낼 수 있습니다.”
Laser Light Technologies의 엔지니어링 책임자 Matt Nipper. 이 회사는 현재 Spectrum Plastics의 일부입니다.
3D 프린팅
많은 3D 프린터는 완제품을 이루는 플라스틱이나 금속을 레이저로 녹입니다. 여기에는 고리형 레이저 빔을 사용해 더욱 정밀하고 강력해질 수 있는 레이저 분말층 융합도 포함됩니다.
레이저 두 개를 동시에 사용하는 방식도 표준 구성이 될 수 있으며 적층 제조 공정을 가속할 수 있습니다.
“제조업의 미래로 자리 잡는 3D 프린팅”에서 다룬 것처럼 3D 프린팅이 제조 공정에서 차지하는 비중이 커질수록 레이저 수요도 증가할 것으로 예상됩니다.
의료 활용
레이저의 강한 빛은 양성자와 전자 같은 입자를 극도로 높은 에너지까지 가속하는 레이저-플라스마 가속을 만들 수 있습니다. 이 입자는 방사선 치료에 활용될 수 있으며, 레이저 덕분에 거대한 입자 가속기와 달리 병원에 들어갈 만큼 작은 장비를 만들 수 있습니다.
초고속 레이저는 안과 수술에도 사용됩니다. 안경이 필요 없게 하는 LASIK 수술부터 당뇨망막병증을 치료하는 광응고술까지 다양합니다.
출처: Nobel Prize
레이저는 피부 치료에도 쓰입니다. 파장에 따라 피부의 표층만 영향을 주거나 더 깊은 혈관까지 도달할 수 있습니다.
또한 제모와 문신 제거, 피부 재생, 여드름 흉터와 검버섯·점 같은 색소 병변 제거 등 미용 치료에도 레이저가 사용됩니다.
데이터 저장
레이저는 수십 년 동안 광디스크에 데이터를 기록하는 데 사용되어 왔습니다. 더 강력하고 파장이 짧은 레이저일수록 데이터를 더 높은 밀도로 저장할 수 있기 때문에 블루레이에는 청색 LED 레이저가 채택되었습니다.
그러나 광디스크가 장기적인 데이터 저장 수단이 아니라는 점이 이제 분명해지고 있습니다.
이에 따라 폴리머 저출력 각인, 다른 형태의 기계식 데이터 저장, 다이아몬드 각인, 5차원 크리스털 디스크 등 다양한 레이저 방식이 검토되고 있습니다.
레이저는 빛의 파장에 해당하는 나노미터 수준의 정밀도를 제공하므로 특히 장기 저장에서 선호되는 데이터 기록 방식으로 남을 가능성이 큽니다.
반도체 각인
반도체 업계는 출범 초기부터 컴퓨터 칩 제작용 재료를 준비하는 데 레이저를 사용해 왔습니다.
레이저 절단과 각인은 접촉이 필요 없고 다른 방식보다 먼지가 적다는 장점이 있습니다. 최고 수준의 청정도가 필요한 재료에서는 특히 중요합니다. 레이저 절단은 재료 낭비가 적고 균열도 만들지 않습니다.
레이저는 반도체 재료와 장비의 용접, 코팅 제거, 표시 작업에 사용됩니다.
컴퓨팅
기존 실리콘 칩이 가능한 최소 크기에 가까워지면서 컴퓨터와 데이터센터의 성능을 계속 높이기 위한 새로운 컴퓨팅 방식이 검토되고 있습니다.
그중 하나가 계산 데이터를 전달할 때 전자 대신 빛을 사용하는 포토닉스입니다. 이 방식은 다수의 초고속 레이저와 광센서, 광섬유로 실리콘 트랜지스터를 대체하며, 무어의 법칙을 계속 유지할 방법이 될 수 있습니다.
또 다른 선택지는 양자 효과를 이용해 일반 컴퓨터로는 불가능한 계산을 수행하는 양자 컴퓨터입니다. 레이저도 도움이 될 수 있습니다. 수소 원자를 조작하는 적외선 레이저부터 비자성 물질을 자화하는 레이저까지 다양한 방법이 있습니다.
통신
레이저는 반도체와 컴퓨팅 외에도 수십 년 동안 정보 전송에 사용돼 왔습니다.
레이저 다이오드는 좁은 주파수의 결맞는 빛을 만들어 하나의 광섬유 케이블로 여러 정보 채널을 보낼 수 있습니다. 주로 장거리 통신에 사용되며 양자점으로 제작됩니다.
레이저는 위성끼리 또는 위성과 지상국 사이의 우주 통신에도 사용될 수 있습니다.
전파에 비해 레이저 통신이 지닌 주된 장점은 대역폭이 넓어 더 많은 데이터를 더 짧은 시간에 전송할 수 있다는 것입니다. 또한 도청하려면 수신기 바로 옆에 물리적으로 있어야 하므로 레이저 통신은 거의 가로채기 불가능합니다.
예를 들어 각 Starlink 위성에는 위성 간 레이저 링크 세 개가 있으며, 200Gbit/s로 위성끼리 데이터를 전달한 뒤 Starlink 지상국으로 보냅니다.
앞으로 달이나 화성의 기지와 통신할 때도 가장 빠른 데이터 전송과 가장 높은 대역폭을 제공하는 레이저가 사용될 가능성이 큽니다.
바이오테크
형광
레이저의 자주 잊히는 용도 가운데 하나가 생명공학입니다. 초기 방식은 레이저 유도 형광(LIF)으로, 레이저를 이용해 생체 조직이나 분자가 녹색 또는 적색 빛을 내게 함으로써 형광 현미경으로 관찰할 수 있게 합니다.
출처: MicroscopyU
레이저는 유세포 분석기에서 시료의 세포를 분리하는 데도 사용됩니다.
이 기술의 중요한 하위 분야는 크로마토그래피와 모세관 전기영동에 쓰이는 LIF 분광법입니다. 두 방식 모두 생물학적 분자를 분석하는 데 중요한 생화학 기법입니다.
유전자 시퀀싱 및 의학
레이저 기술의 향상과 비용 하락은 유전자 시퀀싱을 널리 보급하고 연구자와 의료 전문가 모두가 이용할 수 있게 만든 핵심 요인입니다.
레이저는 암 진단과 암세포 분석에 사용되며 추가 분석을 위한 얇은 조직 절편을 만드는 데도 쓰입니다.
센서와 자율주행차
레이저는 주변 환경을 측정할 수 있습니다. 공장의 위치 측정, 거리 측정, 장애물 감지 등에 쓰입니다.
이러한 레이저의 복합 시스템은 레이저 펄스로 주변 물체까지의 거리를 측정하는 라이다(Light Detection and Ranging)에 사용됩니다. 라이다 시스템은 지도 제작에 널리 쓰입니다.
라이다는 Google의 Waymo (GOOGL )를 비롯한 대부분의 자율주행 시스템에서 핵심 구성 요소입니다. 카메라에만 의존하는 Tesla는 예외입니다.
지향성 에너지 무기
드론이 현대 전장에서 점점 큰 위협이 되면서 각국 군대는 이를 격추할 저비용 해법을 찾고 있습니다.
대부분의 자폭 드론은 많아야 수천 달러에 불과해 미사일이나 심지어 총기 기반 요격 수단도 표적보다 비싼 경우가 많다는 점에서 특히 중요합니다.
한 가지 해법은 마이크로파 빔 등도 포함하는 지향성 에너지 무기의 하위 범주인 레이저 무기입니다. 강력한 레이저 빔으로 드론이 위협이 되기 전에 태우는 방식입니다.
탄약 비용이 에너지 비용뿐이므로 장기적으로 실용적인 몇 안 되는 선택지가 될 수 있습니다. 그러나 아직 기술은 미성숙하며 실제 전장에 배치하기 전에 여러 문제를 해결해야 합니다.
- 안개가 낀 날씨에는 레이저 무기의 성능이 저하될 수 있습니다.
- 에너지 소비가 막대해 속사에 필요한 전력 생산과 저장이 모두 어렵습니다.
- 레이저는 비교적 취약한 장치이므로 최전선에서의 신뢰성이 낮습니다.
레이저 기반 무기가 처음으로 대규모 배치되는 분야는 군사 기지와 함정 같은 고정 시설일 가능성이 가장 큽니다.
핵융합
현재 핵융합을 달성하기 위한 주된 전략은 자기장으로 플라스마를 가두는 도넛 모양의 구조물인 토카막을 사용하는 것입니다.
“핵융합 – 다가오는 궁극의 청정에너지 해법”에서 설명했듯 이것만이 핵융합을 달성할 수 있는 방법은 아닙니다. 또 다른 방법은 레이저로 수소 원자를 매우 뜨겁게 만들어 서로 충돌시키는 것입니다. 그러면 즉시 충격파가 생겨 수소 원자를 서로 밀어붙입니다.
좋은 예는 192개의 강력한 레이저 빔을 연필 지우개 크기의 표적에 유도하고 증폭·반사·집속하는 미국 국립점화시설(NIF)입니다. 한 지점에 500조 와트의 최대 출력을 전달합니다.
출처: Britannica
이러한 시스템은 상업용 핵융합의 유력한 후보이며 심우주 우주선의 펄스 핵융합 추진에도 유용할 수 있습니다.
우주 응용
천체물리학
천체물리학은 지구에서 재현하기 어려운 극한 압력과 온도를 자주 다룹니다. 별이나 가스형 거대 행성 내부의 조건이 그 예입니다.
X선 자유전자레이저(XFEL)는 따뜻한 고밀도 물질(WDM)을 연구하는 데 도움이 될 수 있으며, 더 나은 우주선과 핵융합 엔진 개발로 이어질 수 있습니다.
궤도 태양광
궤도 태양광은 청정에너지 생산의 가능성이 커지고 있습니다. 전력 시스템을 궤도에 발사하는 비용이 빠르게 낮아지면서 수천 톤의 화물을 궤도에 올리거나 우주에서 제조하는 방안이 현실화되고 있습니다.
“무한한 청정에너지를 위한 우주 기반 에너지 해법”에서 살펴본 것처럼 생산된 에너지는 마이크로파 빔이나 강력한 레이저로 지구에 전송할 수 있습니다.
태양광 돛
레이저의 또 다른 미래 우주 응용은 태양광 돛입니다. 광자는 질량이 없지만 아주 작은 운동량을 지닌다는 것이 핵심입니다.
심우주의 무중력 환경에서는 이 작은 힘만으로도 우주선을 가속할 수 있습니다.
태양광 돛은 빛을 받아 추진력으로 바꾸는 대형 박막 돛입니다. 궤도나 달의 레이저 시스템이 더 많은 빛을 비추면 화학 로켓으로는 도달할 수 없는 속도로 가속할 수 있습니다.
출처: For All Mankind TV
이 방식은 알려진 물리학만으로도 우주선을 이론상 빛의 속도의 20퍼센트까지 가속할 수 있어 성간 여행에도 활용될 수 있습니다.
레이저 기술에 투자하기
레이저는 광디스크와 수술 도구부터 3D 프린팅, 반도체, 제조, 유전체 분석 장비에 이르기까지 현대 기술의 수많은 분야에 쓰입니다. 178억 달러 규모의 시장은 2030년까지 연평균 7.8% 성장할 것으로 예상됩니다.
여러 증권사를 통해 레이저 관련 기업에 투자할 수 있습니다. Securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국과 그 밖의 여러 국가의 우수 증권사 추천을 확인할 수 있습니다.
특정 기업을 고르고 싶지 않다면 iShares U.S. Technology ETF(IYW)나 ProShares Nanotechnology ETF(TINY) 같은 기술 ETF도 고려할 수 있습니다. 레이저 전용 ETF는 없지만 나노기술과 기술주에 더 분산된 노출을 제공합니다.
레이저 제조의 핵심 원소이자 현재 미중 무역 전쟁의 중심에 있는 갈륨에 투자하는 방법은 전용 보고서에서 확인할 수 있습니다.
레이저 기업
II-VI Marlow / Coherent
COHR 가격 차트
Coherent는 직원 2만 6,000명 이상을 둔 대형 산업 대기업이자 레이저 기술의 선도 기업입니다. 첨단 소재 기업 II-VI (COHR ) Marlow와 레이저 제조사 Coherent의 합병으로 탄생했습니다.
이 회사는 인듐 인화물, 에피택셜 웨이퍼, 갈륨 비소처럼 레이저, 광학, 포토닉스에 쓰이는 첨단 소재에 전문성을 보유합니다. 지난 10년간 여러 인수를 통해 크게 성장했습니다.
출처: Coherent
회사는 매출의 29퍼센트를 레이저에서 직접 얻고, 나머지는 광섬유와 전자장치 같은 관련 장비에서 얻습니다. 계측 부문은 주로 생명과학과 의료 응용으로 구성됩니다.
출처: Coherent
회사는 열광전지, 탄화규소, 레이저, 전자장치 같은 첨단 소재에 진출해 있어 정밀 제조, 적층 제조와 3D 프린팅, 전기화, 재생에너지 성장 같은 구조적 추세의 혜택을 받을 수 있습니다. 열광전지는 이전 글에서 다뤘습니다.
회사는 최근 탄화규소 사업을 새로운 법인으로 분리했습니다. Coherent가 75퍼센트를 보유하고, 나머지는 탄화규소 전력 기술 지식재산권을 제공하는 Mitsubishi Electric과 전기화·전력 반도체 자동차 공급 사업을 제공하는 Denso가 절반씩 보유합니다.
탄화규소가 전기차, 배터리, 재생에너지 같은 고출력 응용에 주로 쓰이는 독립적인 기술로 발전하고 있기 때문입니다.
Coherent는 자율주행 응용을 포함한 라이다와 디지털 3D 감지, 생명공학용 차세대 시퀀싱(NGS) 플로셀, 반도체 제조용 레이저 분야의 선도 기업입니다. 주요 시장이 8~20퍼센트 성장할 것으로 예상합니다.
출처: Coherent
지향성 에너지 무기, 포토닉 컴퓨팅, 핵융합, 우주기술 같은 다른 잠재적 레이저 응용도 회사의 장기 성장을 뒷받침할 수 있습니다.
전체적으로 Coherent는 이 분야에 관심 있는 투자자가 찾을 수 있는 상장 순수 레이저 기업에 가장 가깝습니다. 강력한 수직 통합과 혁신을 보호하는 3,100개 이상의 특허를 보유하고 있습니다.
