레이저의 모든 것을 연구한다 – 광주 고등광기술연구소

이과를 공부하는 고3 조카 낭구양이 어떤 대학으로 진학할지 한참 고민하여 원서를 거의 다 냈을 무렵에 날아온 학교 안내 팜플릿이 있었습니다. 바로 광주에 있는 GIST에서 온 것이었습니다. 원서 접수 마감이 3일밖에 안 남았었기 때문에 원서를 내지는 못했지만, 대신 제 관심의 대상이 되었습니다.
이전에 다른 포스팅에서 이야기했었지만 낭구양은 울산과학기술대학(UNIST)로 진학했습니다. 나름 적당히 어울리는 학교로 간 것 같네요. (대학에 진학하는 조카들을 보면 너무너무 부럽습니다. 저는 선지원 후시험제로 딱 한 곳만 지원할 수 있었고, 선발방식도 고지식하기가 한이 없었는데 말이죠. ㅎㅎ)

GIST는 우리나라에서 가장 좋은 연구환경을 갖고 있다는 평이 있는 학교입니다. 4개 학과 5개 연구소가 있다고 하는데, 학부과정은 생명과학/화학·소재/응용물리/전기전산으로 나눠진다고 합니다. 고등광기술연구소는 응용물리 분야에 속하는 연구소일테고…… 암튼 학부과정을 뽑은 건 얼마 되지 않았기 때문에 GIST에서 유명한 것은 학부과정이 아니라 석박사 과정입니다. 석박사 과정 학생과 일반 모집은 8개 분야에서 뽑는군요.
암튼 아직 고등학생에게는 제대로 홍보가 되지 않는 것 같은데, 실력되는 고등학생이라면 진학할 때 신경써서 살펴볼 곳이라는 생각이 듭니다. 뽑는 인원이 학부과정은 각 과 20명, 대학원 과정은 때에 따라 변하는 것 같아서 좀 입구가 좁은 것 같지만, 그만큼 응모인원도 적을 것이라 생각되네요. (근데 지원하려면 전교 10등 안에는 들어야?? ㅋㅋ)

그런 인연으로 관심을 갖게 된 GIST의 연구소 중 한 곳인 고등광기술연구소를 4월 2일 방문하게 되었습니다.
4월 2일은 광주 광엑스포 개막식이 있었던 날이기도 했습니다. 광엑스포에 방문하여 촬영한 사진은 다른 포스팅으로 살펴보도록 하겠습니다.

apri 고등광기술연구소 표지석
apri 고등광기술연구소 전경
열 살이 된 고등광기술연구소는 1년에 한 번 초등학생의 정기적인 견학이 진행되고 있으며, 여러 연구소와 기업체 관계자가 가끔 견학을 온다고 합니다. 개인 방문자는 별로 없었다고 하네요. 그렇지만 넉넉하게 한 달쯤 전에 신청을 하면 방문 허가를 얻을 수 있습니다. 또 입학 전 아이들도 가능하다고 합니다. 다만 연구시설이다보니 어린 아이는 정말 조심해야 할 것 같습니다.

고등광기술연구소를 방문하기 위해서는 홈페이지 자유게시판에서 문의하면 됩니다. 아니면 제가 남겼던 글의 답글에서 신청서를 다운받아 이메일 주소로 신청해 주셔도 될 듯 합니다. 주의할 점은 연구가 우선이고, 견학은 연구에 방해되지 않을 때 부가적으로 하는 것이라는 점입니다. 연구소에는 총 11개의 연구실이 있습니다.

찾아가는 길도 말씀드려야 할 것 같은데, 쉽지 않습니다. 고속버스나 시외버스를 타고 광주 버스터미널에 도착하면 택시를 타고 GIST로 가거나 버스를 타고 갈 수 있습니다. 타는 장소는 터미널 앞 광장을 지나면 도로변에 지하도가 있는데, 지하도를 건너면 정류장이 있습니다. 여기서 9번 버스를 타고 쌍암공원까지 가면 1000원(후불제교통카드는 950원)의 저렴한 요금으로 찾아갈 수 있습니다만 시간이 1시간 정도 걸립니다. 그래서 택시를 타면 15~20분 정도 걸립니다만, 택시비가 9000원 정도 나옵니다. 역시 교통이 제일 문제인 것 같습니다. ㅎㅎㅎㅎ

자가용을 타고 가는 것도 비슷할 것이라 생각합니다. 자세한 내용은 네비게이션에게 물어보시던지 홈페이지에서 살펴보시는 것이 더 좋겠네요.

견학 코스…………
저는 연구소에서 마련해 준대로 광소재 및 소자 연구실, 미세광학연구실, 레이저 연구실(극초단광량자빔연구소)을 2시간동안 방문하였습니다. (그런데 관리자 분들이 너무 열성적이셔서 레이저분광학 연구실과 비선형광학 연구실을 덤으로 볼 수 있었습니다. 덕분에 정확히 연구실을 나눠 소개해 드리는 것은 불가능합니다. 이 점 양해 바랍니다.)

아… 그리고, 이 곳에 방문하기 전에 레이저(LASER)가 무엇인지 정도는 공부해 두고 가시는 것이 좋을 것 같습니다. (제 블로그에서 찾으신다면 “포항공대 방사광가속기 – 과학 시설 방문 프로젝트 3편“을 보시면 조금 설명해 놨습니다. 더 자세한 것은 검색을 해 보셔야…^^) 첨단분야 연구실을 바로 볼 수 있는 기회여서 많이 알면 알수록 느끼는 것이 더 많을 것 같습니다. 제 글을 보시고 대략 어떤 것을 공부하면 좋을 것 같다는 생각을 하셔도 좋을 듯 싶습니다. 다만 레이저는 보통 전혀 보이지 않습니다. 뭔가 화려한 볼거리를 기대하지는 않는 것이 좋겠네요.

아구야… 이렇게 써 놓았더니 이제 쓸 말은 다 썼군요. ^^


미세광학연구실
고출력 레이저를 이용해서 여러 가지 가공을 연구하는 응용 연구실입니다. 보통 마이크로(μ)~나노(n)급 초미세 패턴을 가공합니다. 레이저가 아주 정밀하기 때문에 촛점을 맞추면 10μm까지 작게 만들 수 있다고 합니다. 이 때 보통 공장에서 최대 정밀도로 가공하면 2μm 오차까지만 가능한데, 이 곳에서는 최대오차가 2μm라고 하네요. 이런 정밀도를 이용해서 의료장비나 정밀부품을 생산하는 것이 주 목적이라고 합니다.

미세광확연구실에서 하는 가장 기본적인 작업은 물리적으로 구멍을 뚫어 광자를 전달해주는 소자나 이를 변형한 응용소자를 만듭니다.
아래 사진에서 볼 수 있듯이 성냥골 같은 인화성이 있는 물질에도 글자나 패턴을 새길 수 있고, 2009년 6월경 언론을 화려하게 수놓았던 휘어지는 LCD(Flexible LCD)같은 필름형태 플라스틱을 ITO 패터닝 가공하는데 사용하기도 하는데 열에 의해 변성되기 전에 재빠르게 가공처리할 수 있기 때문이라고 합니다.

성냥골에 새긴 글씨
혈관 흡착을 막기 위해 사용하는 Stent(병원에서 스텐실이라 부르는 제품)
Stent가 너무 작아서 내 카메라로는 잘 찍히질 않았다. (이럴 땐 똑딱이가 제격인데...)
1펄스(Pulse)만 살짝 가해서 유리같은 것을 가공하기도 하는데 레이저 강도가 너무 강하고 순간적이라서 유리가 녹지 않고
깨진다고 합니다. 그래서 레이저 촛점을 유리의 맨 밑에서부터 맞춰서 밑에서 위로 가공되도록 한다고 하는데, 쪼개진 유리에 의해
촛점이 방해되지 않게 하기 위해서입니다. 출력이 크기 때문에 일반적으로 우리가 레이저에 대해 생각하는 것과는 약간 다른 면이
있습니다.
이 사진 안의 왼쪽 두 이미지는 stent 확대사진이고, 오른쪽 사진은 광섬유의 끝을 오목하게 가공하여 의료용으로 사용하는 기기입니다. 레이저가 와서 광섬유 끝부분에서 사방으로 반사-분산되어 주변 암세포를 죽이거나 지방세포의 지방을 녹이는데 사용된다고 합니다. 이 이외에도 꽤 많은 소자들을 보여주셨습니다.

눈에 띈 소자는 한 변이 50μm인 정사각형을 잘라내고, 1μm 선만 남은 채같은 가공물이었습니다. 펨토 레이저로 가공한 것이라는데 다양한 조건에서 전기적 특성 등을 테스트해보면 어떨까 하는 생각이 들더군요. ^^

3차원 가공 제품
일일히 가공 깊이를 조절하여 만든 3차원 제품입니다. “오래 걸리겠네요?” 하고 물어봤더니 “워낙 고속으로 해서…” 하시더군요.
그 이외에도 균일한 가공을 촘촘하게 해서 홀로그램도 만든답니다. 이는 특허가 걸려있다고 하네요. 서울 지하철의 차단막에 로고를 새겨넣은 것이 있는데, 살짝 빛이 분해되는 걸 보신 분이 계실 겁니다. 지하철역에서 보이는 건 매우 투박하여 잘 안 보이지만, 여기서 가공한 제품은 그보다 훨씬 더 정밀하고 섬세하기 때문에 아름답게 보인답니다. (그런데 전시물은 초등학생이 맘대로 가져가서 없다고 하더군요. ㅜㅜ)
가공중인 렌즈 - 정밀도 높은 렌즈가 제작된다.
원통형 제품을 가공하는 기기 - 오차가 2μm보다 작고, 0도 가능할 것 같다고 한다.

레이저분광학 연구실비선형광학 연구실
레이저를 이용해서 무언가 하는 연구입니다. 견학하는 동안 너무 많은 걸 머리속에 우겨넣었더니 뒤죽박죽 짬뽕이 되었습니다. ㅜㅜ 헛깔리지 않고 기억에 나는 것만 설명하도록 하겠습니다.

참.. 이 글에서 나오는 것 중 대다수는 Nd:YAG 레이저였습니다. 저는 배움 깊이가 얕아서 이 레이저에 대해서는 전혀 모르겠더군요. ^^; (그리고 다들 아시다시피, 이런 세부적인 내용은 제 블로그 포스팅 대상도 아니니 생략하도록 하겠습니다.)

(안 보이지만) 레이저 발진기에서 만든 레이저를 증폭기로 이동시키고 있다.
Opticial converter로 레이저가 보이도록 비춰보고 있다.
사용하는 레이저는 1.6μm ± 0.00001nm 오차 특성을 갖고 있다고 하네요. 이처럼 단색광 특성이 매우 좋고, 또 극초단 특성(1개 펄스가 매우 짧은 시간동안 가해지는 특성)을 이용해서 여러 가지 응용과학이 발달하고 있습니다.

거울 사이에 소량의 기체에 집어넣고, 레이저를 50만~500만 번 왕복시키면서 얼마나 흡수되는지를 측정하는 분광학 실험을 한다고 합니다. 이를 covert ringdown이라고 한다는데, 매우 다양하게 이용할 수 있다고 하니….., 특히 제가 모르는 분야라서 그런지 흥미로웠습니다.
이런 미세 성분 분석은 의학적으로 매우 유용한데, 환자 호흡 속에 매우 조금 있는 성분을 분석하여 질병을 알아낼 수 있다고 합니다. 외국에서는 당뇨병과 헬리코박터 감염 진단에 성공한 적이 있다고 합니다. 우리나라에서는 연구 중이라고 하니 기대해 보죠. ^_^

옆의 사진은 위의 Opticial converter에 레이저가 보이는 모습이 잘 보이도록 조절해 봤습니다. 사진은 잘 안 보이게 나와서….

그 이외에 다양한 연구시설이 있었습니다. 직접 살펴보셔야 될 듯 싶습니다. ^^

박사님께서 종이에 안내하신 직원분 이름을 살짝 적어 봅니다.
레이저 출력을 조금만 강하게 해도 종이가 타버립니다. ㅜㅜ
그 이외에 다양하고 많은 말씀을 들었습니다만, 너무 어렵고 다양한 말씀이라서 제가 글로 옮기기엔 위험성이 크다고 생각하여 이 글에서는 생략합니다. 혹시 제 글을 보시고 가실 분을 위해서 공부하면 좋을만한 분야만 소개해 드리자면 다음과 같습니다.

QPM : 격자를 만들어 레이저의 파장을 접어 줄임 (즉
광자 1개당 에너지를 높인다. 물론 파장을 줄이면 전체 출력도 1/4 수준으로 줄어든다고 한다. 그러나 레이저 특성을 좋게 만들
수가 있는데, 이는 연구 중이라고….)
Deferencial
Frequency Mixing
: 파랑과 녹색 레이저를 합하여 빨강 레이저를 만드는 기술
빠른 분석 : 반도체의 energy 변환 특성 등을 연구한다.
fs[footnote]fs : 10-15초[/footnote] Scale의 관측이 가능

레이저 연구실의 극초단 광양자빔 연구소
고등광기술연구소는 크게 3개의 건물로 이뤄져 있다고 합니다. 그중 가운데 건물은 통째로 극초단 광양자빔 연구소입니다. 우리나라 6대 거대연구시설 중 하나일 정도로 크기 때문입니다. (6대 거대연구시설 중 제가 가본 곳은 몇 군데나 될까요? 포항공대 방사광가속기, 원자력연구소의 양성자가속기, KSTAR 정도일듯 싶네요. 나머지 둘은 뭘까요? 언제 한번 찾아봐야겠습니다. ^^)[footnote]6대 거대연구시설은 포항공대 방사광가속기, 원자력연구소의 양성자가속기(이게 경주에 설치될 시설)와 하나로 원자로, KSTAR, GIST 극초단 광양자빔 연구소, 외나로도 우주센터일 것으로 생각됩니다.[/footnote]

현재 100 ~ 300 TW 수준의 레이저가 구동되고 있으며, 2011년 1000 TW급으로 성능을 개선할 것이라고 한다.
레이저 발진설비 (펌핑용 녹색 레이저만 살짝 보인다.)
사진의 맨 윗쪽에 레이저 발진장비가 있다고 합니다. 그곳에서 500 nm 파장의 녹색 LED에서 레이저가 발진하여 고체 결정에 펌핑[footnote]레이저를 일으키는 물질 안에 있는 원자 속 전자에 에너지를 가해서 에너지가 더 높은 전자궤도에 올라가도록 하는 일[/footnote]하고, 이 결정에서 실험에 쓰일 800nm 파장의 빨간색 레이저가 발진합니다. 처음 발진한 레이저는 약한데, 중간에 반사와 증폭을 반복하여 점점 더 강하게 만듭니다.

레이저를 증폭해서 에너지가 커질수록 거울과 증폭기가 받는 힘이 커지므로 파손되지 않게 하기 위해서 여러 가지 방법을 사용한다고 합니다. 펄스 길이를 늘이고(Chirp), 레이저 반경도 늘려서 충분히 증폭한 뒤 펄스 길이를 줄이고, 촛점거울를 통해 한 점으로 모아서 조사를 원하는 물체로 보낸다고  합니다. 그렇게 되면 X선 같은 별의별 게 다 튀어나오는데, 이렇게 튀어나오는 것을 확인하는 것이 지금의 연구과제라고 하네요.
앞으로는 1000 TW 레이저를 둘 건설하여 이를 활용한 실험을 하거나 전자와 양성자를 가속하는 가속기를 건설한다고 합니다.

이런 실험을 할 때 순간적이긴 하지만 방사능이 나오기 때문에 1 m 두께의 벽으로 건물을 감쌌다고 합니다. 그런데 현재 실험설비는 방사능이 그리 크지 않아서 이정도 방호벽까지는 필요하지 않다고 하네요.
참고로 KSTAR의 경우 1.5 m 두께의 콘크리트벽으로 방사능을 막고 있으며, 포항공대 방사광가속기는 3 m 콘크리트벽과 3 m의 흙으로 방사능을 막고 있습니다. 원자력연구소의 양성자가속기도 1.5 m 두께의 임시벽을 콘크리트로 쌓아뒀지만, 피폭이 염려되어 다른 직원들이 다 퇴근한 주말에만 실험한다고 합니다. ^^
물론 이들 연구소는 한번 가동하면 장시간 작동시키는 것이라서 몇십 fs 정도동안 작동시키는 레이저와는 근본적으로 다릅니다.

실험 결과물 촬영은 약 1 초 정도 동안 노출하여 얻는다고 합니다. 한 개의 펄스에 한 장의 사진을 얻는데, 촬영속도를 좀 더 높여 여러 장을 얻게 되면 연구결과를 더 정확하게 분석할 수 있을 것이라 생각합니다. 이런 거 연구하고 싶으신 분 안 계신가요? ^^


이렇게 연구소 견학을 마쳤습니다. 두 시간 10 분 동안 견학을 했습니다만, 머리 속에 너무 많은 걸 넣다보니 머리가 뒤죽박죽….. 너무 많은 것을 무리하게 알려고 하기보다는 재미있는 것을 찾아보는 게 좋을 것 같습니다.

제게는 비선형광학연구실에서 보고 들은 내용과 레이저 연구실의 레이저 생성 방법이 가장 흥미로웠습니다만, 다른 분은 미세광학연구실을 견학하는 것이 가장 흥미로울 것이라고 생각합니다. (이런 차이는 제 전공 때문에 차이나는 점일 뿐입니다.) 물론 다른 것도 흥미로운 것이 많을 것 같습니다. ^^

환경과학연구동
에너지 연구동
생명과학동(?)
학내에는 한 과 한 건물이라는 생각으로 만들어진 듯 보이기도 합니다.  암튼 교육환경이 참 좋은 것 같습니다. 이런 곳에 있으면 공부를 하지 않을 수 없을 것 같기도….^_^

나오면서 보니 꽃이 피었더라구요. 저게 산수유 꽃이던가요?


전반적으로 분야는 전혀 다르지만, 포항공대 방사광가속기대전 양성자가속기 등에서도 상당히 비슷한 연구를 하고 있습니다. 그 차이를 생각하시면서 견학하시면 재미있을 것 같습니다. ^^

9 thoughts on “레이저의 모든 것을 연구한다 – 광주 고등광기술연구소

  1. 핑백: melotopia
    1. 만나서 맥주 한 잔 했습니다. 다만 맥주 사진을 찍진 못했어요. 카메라를 깜빡하고 못 갖고 가는 바람에…ㅜㅜ
      광엑스포 포스트라…..^^*

  2. 안녕하세요. 황춘성님

    연구소에 관심을 가져주시고 먼 걸음 해주셔서 감사했습니다.

    광엑스포는 잘 보고 가셨을까요?

    연구소에 대한 멋진 소개도 감사합니다.

    그리고 처음에 보셨던 실험실은 광소재소자연구실이 아닌 미세광학연구실입니다. ^^

    짧은 시간에 많이 못 보여드려서 죄송합니다.

    다음에 더 좋은 기회로 만나뵙도록 하겠습니다.

    감사합니다.

    1. 안녕하세요. ^^
      지적해 주신 이름은 수정하였습니다. 안내책자를 봐도 정확한 구분이 살짝 어렵더군요.
      다음 만남도 기대해 보겠습니다. 여러 가지 감사합니다.

  3. 미세광학연구실 소제목 아래 두번째 문단의 첫 단어도 미세광학연구실로 고치셔야 할 것 같습니다. ^^;

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