[광학] 레이저(Laser)의 특성 : LED와 Laser의 차이점

 

 이전 게시물에서는 간단한 레이저의 설명과 레이저의 역사에 대해 소개했다. 아래 링크를 클릭하면 레이저의 시초부터 현대까지 레이저의 발명과 발전 그리고 현대 응용 분야까지 설명한 포스팅을 확인할 수 있다. 레이저는 일반적인 보통의 광원, 광선들과는 확연한 차이가 있다. 태양 빛을 한 점에 모아 종이 표면에 집중하면 종이를 태울 정도의 집약적인 에너지를 얻을 수 있다. 1960년 7월 미국의 과학자였던 메이먼 박사는 여러 과학자와 기자들 앞에서 레이저 빔(beam)으로 풍선을 터뜨려 보였는데, 이 빛의 마술은 새로운 기술이자 도구로서 그동안 존재했던 과학사에 획기적인 한 획을 그었다. 레이저의 경우 태양 빛에 비해 단위 면적당 얻어지는 에너지의 양이 훨씬 많다. 태양 빛은 직경 1/1000mm 크기에 집광시키기가 사실상 어렵지만, 레이저 광이라면 이는 가능하다. 이 때문에 1mW 출력을 가지는 레이저일지라도 단위 면적당으로 고려했을 때는 태양 빛의 100만 배에 해당하는 에너지 밀도가 가능해지는 것이다. 여기서 1mW 출력은 우리가 흔히 알고 있는 꼬마전구를 키는 데 소모되는 전기의 양보다도 더욱 작은 출력을 의미한다. 또한 이 말은 종이를 태우는 정도를 넘어서 출력 여하에 따라선 사람을 살상할 능력까지 지닐 수 있다는 것이 되는데, 따라서 레이저가 군사용 무기로 사용되고 응용되고 있는 것이 바로 이 점에서이다.

 LED는 반도체 소자를 통해서 빛을 방출하는 장치, 발광다이오드라고도 하며, 전류가 반도체 내에서 전자와 정공의 재결합을 이루며 빛을 방출하게 된다. 이러한 LED와 레이저는 모두 "특정 파장의 빛을 방출하는 광원" 장치라는 것은 동일하지만, 그 특성과 응용 분야는 확연한 차이가 있다. 먼저 LED는 앞서 언급한 것처럼 전자와 정공의 재결합을 통해 빛이 방출되는데, 이 과정에서 특정 파장의 빛이 방출되며, 빛의 색깔(색상)은 반도체 물질이 어떤 것이냐에 따라서 달라진다. 또 LED는 구조적으로 비교적 간단하며, 소형화할 수 있어 크기가 작기 때문에 다양한 전자 기기에 적용할 수 있다는 것이 특징이다. 레이저와의 큰 차이점은 LED는 일반적으로 빛을 "확산"시키며 방출하기 때문에 한 방향으로 집속이 되는 것이 아니라는 점이다. 레이저는 특정 조건에서 빛이 고도로 집속이 될 수 있도록 유도하여 설계된 장치로 고체, 기체, 액체 혹은 반도체와 같은 "활성 매질"을 사용하여 빛을 생성해 낸다. 레이저 장치에는 두 개의 반사 거울이 포함된 공진 구조, 즉 "공진기"가 있어 빛이 두 거울 사이에서 반사하면서 점차 증폭된다. 이 과정으로 생성된 빛은 특정 파장과 위성을 가지게 되며, 매우 좁은(예리한) 빔으로 방출된다. 레이저의 작동 원리라고 언급했던 "유도 방출"은 이처럼 동일한 위상과 주파수를 갖는 빛을 증폭시켜서 매우 집중, 집약된 형태의 빔을 만들어내는 것이다.

 LED는 저전력으로도 구동이 가능하며, 에너지 효율성이 높은 편이기 때문에 조명 및 디스플레이에서 널리 사용되고 있다. LED는 보통 수 mW ~ 수십 mW의 출력을 가지며, 고출력이라고 해도 수십 W를 넘지 않는 경우가 대부분이다. 출력이 낮기 때문에 보통 가정용 조명이나, 디스플레이 화면, 자동차 헤드라이트 등의 "조명"으로 주로 사용된다. 레이저의 경우 매우 높은 출력을 생성할 수 있기 때문에 응용 범위가 훨씬 넓다. 소형 레이저의 경우 수 mW, 산업용 레이저는 수 kW에 이르기까지 매우 다양한 출력을 만들어낼 수 있다. 따라서 산업용 절단, 용접 또는 특정 의료용 수술 등에서 사용되고 있다.

 빛의 성질을 바탕으로 LED와 레이저의 차이점에 관해 설명해 보자면, 먼저 파장을 기준으로 생각해 볼 수 있다. LED와 레이저 모두 특정 파장의 빛을 생성해 내는 것은 동일하나, LED는 비교적 레이저보다 넓은 파장 구간의 빛을 방출해 낸다. 레이저는 매우 좁은 파장 범위에서 단일 색상의 빛을 방출하여 특정한, 순수한 파장을 가지는데 반면, LED 빛은 다양한 파장으로 구성되어 있어 다소 넓은 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 특정한 색상은 유지하나, 완전히 단일한 파장을 갖는 것은 불가능하다. 두 번째로 위상 일치와 관련된 일관성을 바탕으로 이야기할 수 있다. LED 빛은 위상이 무작위이기 때문에 일관성이 없는 반면에, 레이저 빛은 동일한 위상을 가지고 있기 때문에 일관성이 매우 높은 광원이다. 일관성이 높기 때문에 레이저는 간섭성(coherence)을 갖고 있고, 여러 레이저 빔이 만났을 때 서로 상호 간섭을 일으킬 수 있는 것이다. 이러한 위상 일치는 레이저 빛을 매우 예리하고 강력하게 만들며, 빔이 광 경로를 따라서 안정적으로 진행하며 유지할 수 있도록 한다. 또한 LED는 빛을 여러 방향으로 퍼뜨리는 성질이 있기 때문에 넓은 면적을 밝히는 데 유리하며, 레이저는 좁은 각도로, 또한 한 방향으로만 빛을 방출하기 때문에 먼 거리에서도 높은 집중도를 유지할 수 있는 특징이 있다. 이에 따라 레이저 빛은 특정한 목표를 겨냥하거나 좁은 영역에 에너지를 집중시키는 작업이 요구될 때 적합하다.

 각각의 특징에 따라 응용 분야가 다른 만큼 안정성에 대한 규제도 다른데, LED는 비교적 출력이 낮아 상대적으로 안전하다. 과도한 밝기나 열이 발생하는 경우가 아니라면 위험 요소가 적은 편이기 때문에 가정용 조명에도 사용되고 있다. 그러나 레이저의 경우 출력이 수 kW에 이를 만큼 고출력이고, 빔이 매우 집속이 되어 있기 때문에 사람의 눈에 직접적으로 노출이 될 경우 시력이 손상될 수 있고 화상 위험까지 동반할 위험이 있다. 따라서 레이저는 출력에 따라 특정 등급이 나누어지며, 안전 가이드라인과 규제를 따르면서 사용하는 것이 매우 중요하다. 레이저 사용 시 규제를 기반으로 한 특별한 주의와 별도의 안전 장비가 필수이다.

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