지식 더하기 레이저 보호 optical limiting에 응용되는 2차원 나노물질들

SF 영화에서나 보던 광선검과 레이저 포가 이제 진짜 전쟁터에 등장하고 있다. 눈에 보이지도 않고 소리도 없이 빛의 속도로 날아오는 '고출력 레이저 무기'는 드론을 격추하고 조종사의 시력을 단 1초 만에 영구적으로 멀게 만들어버린다. 그런데 이 무시무시한 빛의 공격을 막아낼 방패를 만들기 위해 과학자들이 꺼내 든 무기는 두꺼운 강철 장갑판이 아니라, 원자 하나 두께의 투명하고 하늘하늘한 '2차원 나노 물질(그래핀 등)'이었다. 평소에는 일반 안경처럼 투명하게 앞을 잘 보여주다가, 강력한 살상용 레이저가 날아오는 찰나의 순간에만 갑자기 시커먼 먹물처럼 빛을 차단해 버리는 마법의 스마트 방패. 현대 광학의 최전선 방어막인 '광 제한 효과(Optical Limiting)'와 나노 세계의 흑마술을 파헤쳐 보자.

레이저 공격의 공포, 눈을 멀게 하는 빛

우리가 햇빛이나 형광등을 볼 수 있는 이유는 적당한 양의 빛 에너지(광자)가 눈의 망막을 때리기 때문이다. 하지만 군사용 레이저나 산업용 고출력 레이저는 차원이 다르다. 수억 개의 빛 입자가 완벽하게 한 방향으로 위상을 맞춰서 미친 듯이 쏟아져 들어오기 때문에, 그 에너지가 눈의 망막에 닿는 순간 세포가 그대로 타버리며 끓어오른다. 이걸 막겠다고 비행기 조종사나 군인에게 새까만 선글라스나 철판을 씌우면, 밤에 작전을 할 때 적을 아예 볼 수가 없다. 약한 빛(주변 풍경)은 100% 통과시키면서, 아주 강한 빛(레이저 공격)이 들어올 때만 귀신같이 문을 닫아버리는 '지능형 선글라스'가 절실하게 필요해진 것이다.

빛을 튕겨내는 스마트 방패, 광 제한(Optical Limiting) 효과

이 모순을 해결한 것이 바로 '광 제한(Optical Limiting)' 현상이다. 빛의 세기(강도)가 약할 때는 유리가 완전히 투명하게 빛을 100% 통과시키지만, 빛의 세기가 어느 한계점(문턱값)을 넘어서 미치도록 강해지면 갑자기 유리가 빛을 통과시키지 않고 흡수하거나 사방으로 튕겨 내버리는(산란) 기괴한 비선형 광학 현상이다. 빛이 강하게 쏟아질수록 오히려 방패가 더 시커멓게 변하며 철벽을 치는 셈이다. 레이저가 꺼지면 방패는 0.001초 만에 다시 투명한 유리로 돌아온다. 이 마법 같은 성질을 가장 완벽하게 구현할 수 있는 재료가 바로 탄소 원자들이 벌집 모양으로 납작하게 엮여있는 '그래핀(Graphene)' 같은 2차원 나노 물질이다.

원자 하나 두께의 스펀지, 역포화 흡수

그래핀 안경으로 아주 약한 빛을 보면, 빛 입자(광자)들이 그래핀의 탄소 틈을 아무런 저항 없이 휙휙 통과해버려서 100% 투명하게 보인다. 그런데 적군이 엄청나게 센 레이저 빔을 그래핀 안경에 쏘면 어떻게 될까? 수억 개의 광자가 폭포수처럼 쏟아지면, 그래핀 안에 얌전하게 있던 전자들이 그 빛 에너지를 미친 듯이 집어삼키며 흥분하여 높은 궤도(들뜬상태)로 우르르 점프해버린다. 평소에는 밥(빛)을 안 먹던 녀석들이, 빛이 세지니까 갑자기 걸신들린 듯이 쏟아지는 레이저 빛을 다 빨아들여 버리는 것이다. 이것을 '역포화 흡수(Reverse Saturable Absorption)'라고 한다. 쏟아지는 레이저 에너지를 그래핀이 스펀지처럼 다 흡수해버리기 때문에, 안경 너머의 조종사 눈에는 약하고 희미한 빛만 도달하여 시력을 완벽하게 보호할 수 있다.

끓어오르는 미세 거품, 열적 산란

에너지를 빨아들이는 것만으로는 부족하다. 2차원 물질(산화 그래핀이나 흑린 등)을 특수한 액체 속에 섞어서 유리창을 만들면 또 다른 마법이 일어난다. 강력한 레이저가 이 액체를 때리는 순간, 나노 물질들이 레이저의 열기를 받아 100만 분의 1초 만에 펄펄 끓어오르며 눈에 보이지 않는 수만 개의 '초미세 거품(Micro-bubble)'을 만들어낸다. 이 거품들이 마치 난반사 거울처럼 작용해서, 뒤따라 들어오는 레이저 빔을 사방팔방으로 튕겨내 버린다(열적 산란). 레이저가 거품 벽에 부딪혀 산산조각이 나는 것이다. ![왼쪽의 일반 유리로 적의 레이저 공격에 눈이 먼 전투기 조종사와 오른쪽의 레이저를 즉시 차단하는 미래형 스마트 바이저를 통해 안전하게 바라보는 조종사를 보여주는 분할 화면](https://image.pollinations.