과학동아 8월호 부록 "Be Scientists"에 정 윤찬 박사의 인터뷰 기사와 나의 글이 실렸다.



정 박사의 인터뷰 기사의 제목은 다음과 같다.



"고출력 광섬유 레이저 개발의 주역

영국 사우스햄턴대 정윤찬 박사

황금광을 캐는 빛 레이저"



나의 글의 제목은 "포토닉스"인데, 내가 넘긴 원고를 과학동아에서 다소 고쳐서 적절하지 못한 부분도 있는데, 아무튼 다음이 나의 원래의 원고이다.



포토닉스(Photonics)

문화를 바꾸는 빛의 기술



이병호

서울대학교 전기․컴퓨터공학부 부교수

byoungho@snu.ac.kr





빛 - 그 매력적인 이야기



빛은 무엇일까? 원자나 전자와 같은 입자들의 모임일까, 아니면 음파나 물결파와 같은 파동일까? ‘백 투 더 퓨쳐’라는 영화에서 보는 타임머신은 과거와 미래를 마음대로 오갈 수 있는데, 실제로는 빛보다 빨리 움직일 수 없어 불가능하다고들 이야기하는데, 이는 무슨 말일까? 태양빛은 무지개 빛을 모두 포함한다는데 왜 하늘은 푸른빛이고 저녁노을은 붉을까? TV에는 빨강, 녹색, 파랑, 이렇게 세 가지의 화소만 있다는데 어떻게 갈색을 만들 수 있을까? 레이저의 빛은 왜 방향성을 가질까? 초고속 광통신에는 레이저가 쓰인다는데, 레이저 대신 형광등 불빛을 쓰지 못하는 이유는 무엇일까? 홀로그램은 어떻게 입체상을 만들어낼까? 현미경의 분해능은 빛의 파장에 의해 제한된다는데, 파장크기보다 작은 구멍으로는 빛이 나갈 수 없을까?

호기심이 많은 사람이라면 한번쯤 생각해 볼 법한 빛에 관련된 알쏭달쏭한 질문들의 예이다. 18세기 영국의 문필가였던 사무엘 존슨(Samuel Johnson, 1709-1784)은 “우리 모두는 빛이 무엇인지 알지만, 그게 무언지 말하기는 어렵다.”라고 했다는데, 정말 맞는 말이다! 위의 질문들에 대답하기 위해서 어려운 지식이 반드시 필요한 것은 아니지만, 빛의 정체에 대해서 제대로 이해하기 위해서는 20세기에 들어서 정립된 양자역학에 대한 충분한 지식이 필요하다.

인류의 빛에 대한 생각의 변천과정을 살펴보는 것은 매우 흥미로우면서도 유익한 일이다. 근대 과학의 아버지로 불리는 철학자 데카르트(Descartes, 1596-1650)는 모든 공간이 탄성적인 물질로 채워져 있고, 이를 매질로 하여 전달되는 압력이 빛이라고 생각했다. 다시 말해서 빛을 소리나 물결파와 같은 파동으로 간주한 것이다. 비슷한 시기에 스넬(Snell, 1580-1626)과 페르마(Fermat, 1601-1665)는 빛의 진행과 굴절, 반사에 대한 연구를 수행하였다.

그런데 빛의 직진성과 빛이 ‘편광’이란 것을 가진다는 사실에 주목한 뉴튼(Newton, 1642-1727)은 빛이 입자라고 강력히 주장한다. 당시에는 소리와 같이 매질의 진동방향과 파동의 진행방향이 일치하는 경우(종파)에만 익숙했던 것이다. 따라서 빛이 파동일 경우 편광을 설명하기가 난감하였다. 당시 뉴튼의 권위란 대단한 것이어서 빛이 입자라는 뉴튼의 주장은 무려 한 세기 동안 정설로 받아들여졌다.

그러나 1801년에 영(Young, 1773-1829)의 간섭실험은 빛이 파동이어야 한다는 것을 보여주었다. 그 외에도 프레넬(Fresnel, 1788-1827) 등이 빛이 파동이라는 관점을 갖고 여러 가지 빛의 성질들을 명확히 설명하였다. 결국 빛은 전기장과 자기장의 상호작용에 의해서 공간을 전파해 나가는 전자파라는 사실이 맥스웰(Maxwell, 1831-1879)에 의해 이론적으로 정립되었다.

하지만 20세기에 들어서 플랑크(Planck, 1858-1947)에 의해 등장한 ‘양자론’에 기초하여 아인슈타인(Einstein, 1879-1955)은 빛의 입자설을 주장한다. 빛 에너지가 양자화된 입자들로 구성되어 있다는 이야기였다. 이를 우리는 ‘광자(photon)'라고 부른다. 아인슈타인은 빛이 입자라는 관점을 이용하여, 당시에 실험적으로 발견되었으나 파동이론으로 설명하기 불가능했던 광전효과라 불리는 것을 설명하였다. 하지만 양자역학의 발전과 더불어 모든 입자는 파동성도 가지며 엄밀하게 물질을 기술하기 위해서는 확률에 기대는 수밖에 없다는 사실을 알게 된다. 한마디로 빛은 파동성을 갖는 입자라고 볼 수 있다.

빛에 대한 성질이 연구되어온 이런 과정도 흥미진진하지만 빛을 이용하여 일상생활에 도움을 주는 광공학 또한 매우 흥미로운 분야이다. 광학이 우리의 일상생활에 미치는 영향을 느껴보고 싶다면 안경이 없는 세상을 상상해보라. 빛의 굴절현상을 이용하여 시력을 보정해주는 안경은 광학이 응용되는 가장 중요하고 일상적인 예이다. 라식 수술을 하면 될 텐데 하고 생각할지 모르지만, 라식도 광학연구의 산물인 레이저를 써서 하는 수술이다. 다른 예를 들어보자. 최근에 3M에서 출시된 얇고 투명한 스티커는 빛을 회절시키게 되어있다. 이 스티커를 휴대전화의 액정위에 붙이면 휴대전화의 액정에서 나오는 빛을 회절시켜 필요없는 방향으로 진행하는 빛의 진행방향을 바꿔 준다. 그래서 스티커를 붙이기 전보다 휴대전화의 액정화면이 훨씬 선명해지게 된다. 이러한 예는 사소한 것이고, 아래에 설명할 포토닉스(photonics)의 커다란 주제들은 우리의 생활을 크게 바꾸었거나 바꿀 중요한 기술들이다.

포토닉스는 광자공학, 광자기술, 광자학 등으로 번역할 수 있는데, 일반적으로는 광공학 중에서도 레이저를 이용한 정보 및 통신용 응용을 주로 뜻한다.



레이저 - 인간이 만든 빛



레이저의 빛은 태양광이나 전등 빛과 달리 몇 가지 중요한 특징을 갖는다. 즉, 방향성, 센 세기, 단일한 색깔(단일한 파장), 그리고 간섭할 수 있는 성질이 그것이다. 자연적으로 생겨나는 빛에서는 이와 같은 성질들을 모두 갖춘 경우를 볼 수 없다.

이와 같은 성질은 레이저 장치 내부에서 광자가 자신과 똑같은 특성을 갖는 쌍둥이들을 복제해 내기 때문에 가능하다. 이와 같이 광자가 쌍둥이를 복제해 내는 현상을 유도방출(stimulated emission)이라 부르는데, 1917년에 아인슈타인에 의해 이 현상이 존재한다는 사실이 이론적으로 밝혀졌다. 레이저란 이러한 현상을 나타낼 수 있는 물질을 두 개의 거울 안에 넣고, 광자들이 두 거울에서 반사되어 왕복하면서 쌍둥이들을 계속 복제해내어 증폭되도록 한 것이다. '레이저(laser)'란 말은 유도방출에 의한 빛의 증폭이라는 뜻을 갖는 ‘light amplification by the stimulated emission of radiation’의 앞 글자들을 따서 만든 말이다. 1917년에 밝혀진 광자의 ‘쌍둥이 복제(유도방출)’라는 현상만 안다면 레이저를 고안하는 것은 아주 쉬운 아이디어일 것 같은데, 이 아이디어가 나온 것은 1950년대가 되어서였다. 빛보다 다루기 쉬운 마이크로파에 대해 연구가 먼저 이루어졌다. 이렇게 늦은 이유를 이 아이디어로 노벨상을 받은 타운스(Townes, 1915-생존)로부터 들어보자. “대부분의 물리학자들은 전자공학과 증폭기에 대해서 몰랐었고, 전기공학자들은 대개 양자역학을 배우지 않았다. 하지만 제 2차 세계대전으로 인해 레이다(radar) 개발을 위해 공학자들과 자연과학자들이 함께 일하게 되었고, 물리학자들이 전자공학에 접근할 수 있게 되었다.” 이와 같이 서로 다른 분야의 지식을 배움으로써 레이저라는 아이디어가 고안될 수 있었던 것이다.

이제 레이저를 이용한 포토닉스 기술 중, 지면적 제약으로 두 가지만 간단히 살펴보자.



광통신 - 유일한 초고속 통신 수단



임진왜란 때 봉화로 왜군의 침입을 알렸다거나, 이 순신 장군이 군사들을 지휘하는데 연을 사용했다거나 하는 것도 일종의 빛을 이용한 통신이기는 하지만, 현대에 우리가 이야기하는 광통신이란 주로 광섬유를 이용한 통신을 말한다. 이는 레이저의 빛을 정보에 따라 바꾸어 주며 광섬유를 통해 전달하는 것이다. 광섬유로 빛을 인도하는 것이 정말 실용적으로 의미가 있겠다고 받아들여지게 된 계기는 1970년에 코닝사의 주도로 빛을 1 km 전송했을 때 20 데시벨의 손실을 나타내는 광섬유가 만들어지면서였다. 이는 이 광섬유를 통해 빛을 전송하면 1 km 갔을 때 광량의 1 %가 살아남는다는 뜻이다. 그 후 기술은 계속된 발전을 하여 지금 한국과 일본, 미국사이에 깔려 있는 해저 광케이블의 손실은 1 km당 0.2 데시벨 정도이다. 이는 중간에 증폭이 없이 빛이 100 km 전송되었을 때 광량의 1 %가 남아있다는 것을 뜻한다.

광 펄스가 진공에서 진행한다면 퍼지지 않지만, 광섬유 내에서 진행할 때는 퍼지게 된다. 이를 최소화하기 위해서는 레이저를 광통신에 사용해야 하고 이를 위한 반도체 레이저 기술이 잘 개발되었다.

그런데, 왜 광통신이 필요한 것일까? 초고속 장거리 통신을 할 수 있는 유일한 수단이기 때문이다. 전화에서 사람 목소리는 초당 64,000 개의 디지털 비트(bit)로 변환된다. 그런데, 통신선로에서는 이미 음성 정보 통신보다 인터넷 등의 데이터 통신량이 훨씬 많다. 광통신 기술로는 이미 초당 100억 개 비트의 정보 전송이 가능하고 더 나아가 이보다 100배 이상 전송률을 늘이기 위한 연구개발이 이루어지고 있다. 1 초에 100억 개의 비트를 전송한다는 것은 1 초에 대략 50만 쪽의 문서의 글자 정보를 전송할 수 있는 엄청난 능력이다. 250 쪽짜리 소설책 2천권의 정보를 1 초 동안에 수 천 km의 거리에 보낼 수 있다는 말이다!

우리는 인터넷 시대에 살고 있다. 집안에 앉아서도 외국의 홈페이지에 들어가 정보를 찾을 수도 있고, 검색을 통해 전 세계의 홈페이지에 있는 정보를 훑을 수도 있는 정보의 바다에서 우리는 살고 있다. 이러한 통신은 대부분 해저 광케이블을 통해 이루어지고 있고, 초고속 장거리 광통신 기술이 없었다면 불가능한 일이다. 현재 일부에서는 집까지 광섬유가 연결되어 있지만, 머지않아 대부분의 가정들까지 광섬유가 깔리는 ‘집까지 광섬유(FTTH: fiber to the home)' 기술이 현실화될 것이고, 이를 통해 원하는 비디오를 아무 때나 주문해 시청한다든가, 깨끗한 동영상 화상 전화통신을 한다든가 하는 일이 가능해 질 것이다.

최근 세계적으로 광통신 시장의 성장이 둔화되어 관련 기업체들이 위축되었었는데, 이는 아이러니컬하게도 시장의 수요보다 연구개발결과가 너무 앞서갔기 때문이었다. 하지만, 사람들이 요구하는 정보통신량은 계속 늘어나고 새로운 정보 서비스가 창출될 것이기 때문에, 더욱 발전된 광통신 기술에 대한 요구는 계속될 것이다.



홀로그램 - Never say "Never."



‘보는 것이 믿는 것이다.’라는 격언이 있다. 그만큼 인간은 시각에 민감하게 의존하고 있으며 대부분의 정보를 시각으로부터 얻는다. 시각정보를 재생하려는 노력은 선사시대부터 있어왔다. 고대 벽화가 그것이다. 이와 같이, 그림에서 흑백 TV로, 흑백 TV에서 컬러 TV로, 더 나아가 고해상도 디지털 TV로 영상 매체가 변화해온 지금, 3차원 영상을 동영상으로 재생해주는 기술이 차세대 영상 매체에 요구되는 매우 중요한 기술일 것임을 쉽게 짐작할 수 있다. 지금도 놀이공원에 가면 ‘쉬렉’을 안경을 끼고 3차원 영상으로 볼 수 있는 영화관이 있지만 이러한 방식의 3차원 영상매체는 안경을 껴야만 한다는 불편함이 있고 장시간 보면 피로감을 느낀다는 단점이 있어서 대중매체가 되지는 못하고 있다. 따라서 안경을 끼지 않아도 손에 잡힐 듯한 3차원 영상을 볼 수 있는 홀로그램 방식이 차세대 3차원 영상 재생 기술로서 구현되어야 할 최종 기술이라 할 수 있다.

누구나 처음 홀로그램을 보면 그 자리에서 매료되고 만다. 분명히 손에는 아무것도 잡히지 않는 빈 공간인데 어떻게 물체가 있는 것처럼 보일 수 있을까. 사실 우리가 어떤 물체를 본다 함은 그 물체의 표면에서 반사된 빛이 인간의 눈에 전달된 것을 느끼는 것이다. 그렇다면 어떤 공간에 실제 물체가 없다고 해도, 그 가상 물체에서 반사되었을 빛만 재생해 낼 수 있다면, 인간의 눈은 그 물체가 실제로 공간에 있을 때와 동일한 자극을 느끼게 된다. 따라서 관찰자는 그 자리에 그 물체가 있다고 생각할 것이다. 홀로그램은 물체에서 반사된 빛을 저장하였다가 그대로 재생하는 방식이다.

그런데, 필름이나 전자소자 등, 빛에 반응하는 거의 모든 물질이 빛의 세기에만 반응하지 파동성을 갖는 빛(광파)의 위상에 반응하지는 못한다. 따라서 광파에 대한 모든 정보를 직접적으로 기록하는 것이 불가능하다. 이것이 가능하게 하는 방법은 두 방향에서 오는 빛의 간섭 패턴을 기록하는 것이다. 간섭 패턴은 결국 세기 패턴이지만, 이 패턴은 두 빛의 상대적 위상차에 따라 달라진다. 따라서 빛의 위상 정보를 일종의 암호화를 해서 기록하는 셈이다. 이를 재생하기 위해서는 복호화가 필요한데, 의외로 그 방법은 매우 간단하다. 이와 같이 빛의 위상 정보까지도 기록했다가 복원함으로써 원래의 광파를 그대로 재생하는 방법이 홀로그램이며 이는 전자현미경에 대해 연구를 하던 가보르(Gabor, 1900-1979)에 의해 1948년에 고안되었다. 홀로그램이란 말은 그리스어의 단어들을 조합하여 만든 것인데, ‘전부 기록한다’는 것을 뜻한다. 하지만 당시는 아직 레이저가 발명되지 전이어서 간섭성이 좋은 광원이 없어서 크게 주목을 받지 못하였다. 또 하나의 문제는 복원된 영상이 원하지 않는 빛과 겹쳐 보인다는 것이었는데, 이는 레이저가 발명된 후, 미시간 대학(University of Michigan)의 연구진에 의해 통신이론을 응용하여 광학에 적용함으로써 해결하였고, 이것이 홀로그램의 실용화의 물꼬를 튼 사건이 되었다.

우리가 실생활에서 가장 많이 볼 수 있는 홀로그램은 신용카드 등에 위조방지용으로 붙은 무지개 홀로그램이다. 이는 폴라로이드사에서 근무하던 벤튼(Benton, 1941-2003)에 의해 발명되었고, 그는 그 후 매사추세츠 공과대학(MIT)으로 자리를 옮겨 최근까지 동영상 홀로그램 기술에 대해 활발한 연구를 하다가 작고하였다.

동영상 정보를 전송 받아 실시간으로 재현할 수 있는 이상적인 무안경식 고화질 3차원 TV 기술은 아직도 요원하다. ‘마이너리티 리포트’를 비롯한 많은 영화와 공상과학 소설에서 보여주는 이러한 꿈은 언젠가는 이루어질 것이다. 현재의 과학과 기술이 부족하다고 해서 앞으로도 그 구현이 불가능할 것이라고 함부로 속단할 수는 없다. - Never say "Never." (절대로 안 될 것이라고 절대로 말하지 말라.)



예상외의 발전을 예상하며...



이상에서 설명한 광통신이나 홀로그램 외에도 포토닉스에는 활발히 연구되는 많은 분야가 있다. 예를 들어 포토닉 크리스탈(photonic crystal)이라고 하는 것이 최근 큰 주목을 받고 있는데, 이는 고체물리에서 개발된 이론을 광학에 적용하여 새로운 방법으로 빛을 제어하는 기술이다. 이 기술이 반도체 기술과 접목되어 새로운 종류의 광-전자 집적회로가 등장하는 날이 올 것이다.

자연과학이 어려울까, 공학이 어려울까? 좀 어리석은 질문이긴 하다. 자연과학에서 새로운 현상들을 찾아내고 이를 설명하는 이론들을 만들어 가면, 공학에서는 그 중에서 실용화될 만한 것들을 골라서 상용화를 위한 노력을 경주한다. 그러다보면 실용화시키는데 제한을 주는 ‘사소해 보이는’ 문제들을 발견하게 되는데, 이는 실은 사소한 것이 아니라 공학적 입장에서는 ‘매우 중요한’ 문제들이다. 예를 들어 1 초당 100억 개의 비트를 보내는 광통신 기술을 업그레이드하여 1 초당 400억 개의 비트를 보내려고 하면 기술적 제한을 주는 새로운 문제들이 많이 나타난다. 이를 해결하기 위해서 많은 공학자들과 엔지니어들이 달라붙어 지대한 노력을 기울인다. 이러한 현실적인 문제들은 다시 자연과학자들의 관심과 관련 연구를 촉발하기도 한다. 공학에서는 비용이라는 요소도 매우 중요하다. 예를 들어 차세대 대용량 광 메모리를 개발하는데, 두 가지의 다른 기술로 각각 다르게 접근하는 연구개발진들이 있다고 하자. 두 그룹 다 훌륭한 제품을 개발하였다고 해도 소비자들은 값싼 제품을 구매할 것이기 때문에 낮은 가격에 좋은 성능을 내는 제품만이 시장에서 살아남을 수 있다. 따라서, 공학자와 엔지니어들은 경제적으로 구현할 수 있는 기술인가도 중요하게 고려해야 한다. 그래서, 공학적 연구에는 자연과학보다 더 많은 고려사항이 따르게 되며, 그런 면에서 공학이 좀 더 어렵다고도 할 수 있다. 하지만, 이렇게 어렵다는 사실, 그리고 사회적 수요가 있다는 사실 때문에 더 많은 사람들이 활발히 경쟁적으로 연구개발을 하게 되고, 그래서 또한 활력이 있고, 도전해야 할 문제가 아주 많은 분야가 공학이다.

이제 비선형광학 연구로 노벨상을 받았던 블룸베르겐(Bloembergen, 1920-생존)의 말을 인용하며 이 글의 끝을 맺자. “미래는 항상 젊은 세대에 속해있다. 이 분야는 똑똑한 학생들을 많이 끌어당기기 때문에, 예상할 수 없는 새로운 개발들이 이루어질 것이라고 예상할 수 있다."