광학은 빛을 다루는 학문이다. 빛은 대상에 반사돼 눈이라는 기관에 들어온다. 시각 정보를 제공하는 빛이 없으면 인간은 아무것도 볼 수 없다.
오늘날 허블 망원경과 제임스 웹 망원경 등은 우주 관측에 활용되고 있다. 현미경은 역사적으로 전염병 극복에 결정적인 역할을 한 광학장치다. 미세한 물체를 확대해서 보는 기능 뿐만 아니라 반도체 공정에서도 사용되고 있다. 카메라는 인간이 기록을 남기고 보존하는 데 필요한 핵심 기구다.
광학 장치의 발전은 19세기 후반 레이저, 홀로그래피 등 기술이 등장하면서 관련된 빛의 개념이 서서히 정립됐고, 이를 발전시켜 광섬유, 컴퓨터가 등장하는 등 광학 산업이 발전하게 됐다.
제임스 웹 망원경은 디지털 기술과 아날로그 기술의 집합체로서, 인류의 '보는 욕구'가 집적된 광학장치다. 이를 통해 인류는 우주 기원을 찾기 위해 망원경을 우주로 보냈다. 광학 장치의 발전은 과학, 의학, 산업 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 광학 산업은 계속해서 발전할 전망이다.
광학의 역사
망원경은 대표적인 광학 장치로, 1609년 갈릴레오는 이를 통해 불가침의 진리로 여겨지던 천동설을 무너뜨렸다. 천문학적 발견을 이루어냈다는 그 상징성으로 망원경은 여전히 가장 대표적인 광학 장치로 꼽힌다. 허블 우주 망원경, 제임스 웹 우주 망원경 등 오늘날 망원경은 미지의 드넓은 우주를 관측하는 데까지 사용되고 있다.
또 다른 광학 장치로는 현미경이 있다. 현미경은 망원경만큼 인류의 역사를 획기적으로 바꿔놓는 데 큰 역할을 했다. 특히 인류가 정복하지 못했던 수많은 감염병의 극복에 결정적인 역할을 했다. 현미경은 바이러스 등 작은 미생물을 보는 데 사용되는 것을 넘어서 오늘날 첨단 산업의 한 축인 반도체 공정 등에서도 사용되고 있다.
마지막으로 세상을 바꾼 또 하나의 광학 장비, 두말할 필요 없이 인류의 문화 전반에 놀라울 만큼 커다란 변화를 일으킨, 바로 카메라다. 인간의 기록, 보존 및 보호에 필수적인 핵심 메커니즘으로 자리잡았다.
아인슈타인과 플랑크 물리학이 등장한 19세기는 양자역학의 새벽으로 정의된다. 처음으로 원자 모델이 입증된 시대였다. 결과적으로 아날로그와 디지털의 벽을 허무는 전자 공학이 탄생했다. 19세기 후반부터 레이저, 홀로그래피 같은 기술이 등장해 광 기술의 개념을 점차 확립시켰다. 이는 광섬유와 컴퓨터 같은 산업 분야에서 실용적인 응용을 이끌어 냈다. 비로소 광학 산업의 시작이었다.
이후 20세기와 21세기는 디지털 시대로의 전환 기간이었다. 레이저와 광섬유를 이용해 통신과 데이터 저장, 엔터테인먼트가 가능한 새로운 사이버 공간 개념이 등장했다. 이는 메타버스, 가상현실, 증강현실 등의 선구자 역할을 했다.
2021년, 제임스 웹 우주 망원경이 발사돼 전 세계적으로 큰 주목을 받았다. 우주를 향한 인간의 호기심의 산물이기도 한 제임스 웹 우주 망원경은 디지털과 아날로그 기술을 결합한 새로운 첨단 광학 기술들이 총집합한 결정체이기도 하다.
유엔은 2015년을 '국제 광의 해'로 지정했다. 이는 고대 이집트의 과학자 알하젠이 ‘광학의 서’를 출간한 지 1000년, 프랑스 물리학자 오귀스탱 장 프레넬이 ‘빛의 파동’을 발견한 지 200년, 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표한 지 100년이 되는 해였다.
광학 기술은 의료 분야에서 중요한 역할을 해 왔다. 현대 의학에서는 광학 기술을 이용해 내시경 및 초음파 등의 진단 장비, 레이저를 이용한 수술, 광학적 센서 등이 개발돼 사용돼 왔고, 이를 통해 질병의 조기 발견과 정확한 치료가 가능하게 됐다.
또한, 광학 기술은 산업 분야에서도 매우 중요한 역할을 한다. 현재 인터넷 등에 사용되는 광섬유 통신 기술은 정보 전송 속도와 품질을 비약적으로 상승시켰다. 레이저 가공, 광학식 인식 장치, 광학식 저장 장치 등에도 이용된다.
광학 기술은 미래의 기술 발전에도 큰 역할을 할 것이다. 광학 기술이 좌우할 것으로 예측되는 가상현실, 증강현실, 메타버스 등은 이미 한 차례 글로벌 시장을 뒤흔들었고, 첨단 산업인 인공지능, 자율주행 자동차, 산업용 로봇 등 산업 발전에도 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
이처럼 광학 기술은 우리의 역사와 더불어 성장, 발전해온 기술 중 하나다. 미래 기술 발전과 산업 발전에도 중요한 역할을 할 것이 분명하며, 지속적인 연구와 발전이 이루어져야 한다.
광학 기술(Optical Technology)의 전망
광학 기술은 빛과 물질의 상호 작용을 연구하고 응용하는 기술 분야다. 다양한 분야에 적용되고 있으며, 향후 AI, 로봇, 드론, 자율주행 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
광학에서는 빛을 이용해 대상을 생성한다. 따라서 광학은 광원, 공간적 변화, 디텍터 등을 다룬다. 지금까지 시간축으로서의 빛, Hz 단위의 진폭 정보로서의 빛은 이미 많은 연구가 이뤄졌다. 최근 전문가들은 공간 정보로서의 빛에 주목하고 있다. 빛의 파장을 어떻게 다룰 것이냐, 빛의 공간 정보와 시간 정보를 어떻게 하나의 관점으로 통합해 볼 것이냐가 미래 기술 개발의 핵심이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하면 웨어러블 컴퓨터, 가상 세계 등이 실현될 수 있다.
광학은 퀀텀 시대에도 여전히 발전의 여지가 많다. 광컴퓨터, 퀀텀 컴퓨터, 옵틱 컴퓨터 등의 IC칩에 광 기술의 사용이 늘고 있는 만큼, 빛을 이용한 기술에 대해 주목해야 한다. 광학 기술 중 구체적으로 테라헤르츠 옵틱스(Terahertz optics), 퀀텀 옵틱스(quantum optics), 나노 옵틱스(nano optics), 메타물질(metamaterials), 3D 프린팅 기술 등이 주목해야 하는 기술이다.
테라헤르츠 옵틱스는 통신 분야를 넘어서 웨어러블 컴퓨터 분야나 의학 분야에서까지 사용될 수 있는 기술이다. 이를 위해 옵티컬 디바이스 분야에서도 연구가 이뤄지고 있다. 또한, 테라헤르츠 옵틱스는 기가헤르츠 영역에서 사용되던 RLC 회로를 대체하는 광학 소자의 개발을 촉진하며, 이로 인해 나노 공정을 거치는 산업에도 혁신을 가져올 수 있을 것으로 전망된다.
퀀텀 옵틱스는 빛과 물질의 상호작용을 연구하고 적용하는 분야다. 최근 양자 컴퓨터나 양자 메모리 등에 사용될 수 있는 기술로 주목받고 있다. 퀀텀 옵틱스는 분자나 원자 레벨의 연구가 이루어지며, 이는 빛과 물질의 상호작용에 의해 가능하다.
나노 옵틱스는 나노 기술과 광학 기술을 결합한 분야로, 광통신 분야에서 주로 사용된다. 나노 옵틱스는 빛의 파장과 나노 구조의 상호작용을 연구하며, 이를 활용해 광학 디바이스의 크기를 줄이고 성능을 개선할 수 있다.
메타물질은 광학 소자를 만들기 위한 재료로 매우 유용하다. 예를 들어, 메타물질을 사용하면 렌즈나 반사경 같은 광학 소자의 크기를 현저히 줄일 수 있다. 이는 레이저나 통신 시스템 등에 사용되는 광학 소자의 성능과 효율성을 향상시킬 수 있다. 메타물질은 전자파를 조절하는 데에도 사용된다.
특정 주파수의 전자파를 차단하거나, 특정 방향으로 전파를 선별적으로 전달하는 등의 조절이 가능하다. 또한, 메타물질은 적외선, 자외선, X선 등 다양한 파장의 전자파에 대해서도 특별한 특성을 가지므로, 광학 분야뿐만 아니라 방사선 치료나 이미징 등의 응용 분야에서도 활용될 수 있다.
마지막으로 3D 프린팅이 있다. 3D 프린팅에는 잉크젯, 레이저, 디지털 라이트 등 여러 가지 공정이 포함되는데, 광학에서는 이러한 공정들이 광학 PCB를 생산하는 데에 적용된다. 여기에 LED 및 레이저와 같은 소스를 얹으면 테라헤르츠 광통신이 가능해지고, 메타물질과 접목하면 꿈의 투명 망토를 구현할 수도 있다.
나노 광학의 궁극적인 목표는 광 컴퓨팅, 양자 컴퓨팅 등 광자 컴퓨터다. 테라헤르츠 광학, 양자 광학, 포토닉 통합 회로(PIC), 메타물질, 3D 프린팅과 같은 기술들은 궁극적으로 광자 컴퓨팅을 향해 나아가고 있다. 양자 광학, 바이오-광학, 양자 메타물질, 나노 광학, 테라헤르츠 등이 광자 기술 분야를 주도하게 될 것이다.
헬로티 이동재 기자 / 최재규 기자 |
