2015/11/04

[Korean] 532nm 녹색 레이저 포인터의 위험성

 20세기 중반 레이저가 발명된 이후로 수십년이 지난 현재, 수업, 발표, 별 지시용, 기타 수많은 분야에서 사용되는 저출력 레이저포인터는 인터넷쇼핑몰이나 상가 등에서 쉽게 구매할 수 있습니다. 이런 일상 용도 외에도 산업, 연구 등에서 고출력 레이저가 사용되는 등, 레이저는 거의 모든 분야에서 필수적인 물건으로 자리잡았습니다. 그만큼 자주 이용되다 보니 크고 작은 사건사고가 또한 보고되고 있으며, 대표적으로는 지상에서 장난삼아 비행기를 겨눈 레이저에 조종사의 눈이 순간적으로 마비되어 발생한 참사나, 어린아이들끼리 장난으로 얼굴에 겨누어서 눈이 손상되는 경우가 빈번한 것으로 알려져 있습니다. 그에 따라 각 국가별로 레이저에 대한 제재가 시작되어, 출력에 따라 등급을 구분하고 목적에 맞게 구매하도록 정하였습니다.

 여기까지는 어디서나 지겹도록 볼 수 있는 따분한 이야기이며, 사실 지금부터 기술할 내용도 다른 곳에서 소개한 것과 다를 바 없습니다. 이 글의 목적은 제가 레이저를 구매하여 사용해 보고 경험적으로 느낀 바와 함께 직접 측정한 실제 데이터에 근거하여, 방문자 여러분께 레이저의 종류별 특징을 소개하고 안전한 제품을 구매하는 요령을 알리는 것입니다. 주로 녹색 레이저에 관한 이야기이며, 기타 다른 레이저들도 간략히 소개합니다.

 우선 요점부터 간단히 정리하면,

1. 일상에서 쓰는 레이저는 Diode 타입과 DPSS 타입이 있다.
2. 그중 현재 시중에서 판매되는 532nm 녹색 레이저는 DPSS 타입이며 이 방식은 특성상 강력한 적외선 레이저도 같이 발생하므로 일상용으로는 반드시 필터로 차단해야 한다.
3. 싸구려 532nm 레이저에는 적외선 필터가 없는 경우가 많아서, 사용 중 시력저하 및 실명을 유발할 수 있다.
4. 최근 판매하기 시작한 510~520nm 범위의 레이저는 적외선 미발생의 Diode 타입이다.
5. 안전을 위해 조금 비싼 532nm 레이저 또는 Diode 타입을 구매할 지언정 값싼 미보증 532nm레이저는 구매하지 않도록 한다.

시중에 강의발표용으로 판매되고 있는 532nm '저출력' 레이저가 많은데, 5천원~2만원 대 제품의 90% 이상은 적외선 필터를 내장하지 않고 있습니다. '눈에 보이지도 않는 적외선이 나오는 게 뭐 어떤가' 생각할 수도 있는데, 정말로 출력이 약하다면 큰 문제가 안 되지만 실제로는 녹색보다 수 배 정도 출력의 강력한 적외선 레이저가 함께 방출되어, 이 보이지 않는 빛이 반사/산란되어 사람 눈에 맞을 경우 눈치채지도 못하는 사이에 영구적인 시력저하 및 실명을 유발합니다.

여기까지 왜 위험한지 설명했으니, 빛의 파장에 대한 간단한 소개와 DPSS 레이저의 원리를 알아보겠습니다.


1. 빛의 파장과 DPSS레이저의 원리
그림1. 빛과 파장의 관계 (Wikipedia : Light Frequency)

 누구나 다 아는 내용이니 간단히 설명합니다. 400nm(나노미터)부터 700nm까지를 보통 가시광선이라 하며 개인차(참고1) 또는 빛의 강도(참고2), 유전형질에 따라 색을 인식하는 원추세포가 3개가 아닌 4개인 사람의 경우, 가시광선을 살짝 넘어간 자외선(보라색 바깥)이나 적외선(빨간색 바깥)이 약간 보일 수도 있다고 알려져 있습니다. 개인적인 체험으로 800nm 빛의 강력한 출력의 적외선 레이저를 빨간색으로서 관찰 가능함을 경험하였습니다. 이는 참고2에 기술되어 있는 내용으로, 사람의 눈에 거의 인식되지 않는 파장의 빛도 매우 밝은 수준이라면 볼 수 있습니다. 물론 직시하면 즉시 실명할 정도의 고출력이므로 근처 물건에 쬐여 산란(Rayleigh Scattering)되는 빛을 보고 확인할 수 있습니다.

참고자료


  DPSS 레이저는 Diode-Pumped-Solid-State LASER의 약자로서, Diode 레이저에서 발생한 빛을 특수한 결정(인조보석이라 생각하시면 됩니다)에 쏘면 원본의 2~5배 주파수를 가진 빛이 발생하는 원리를 이용하여 다양한 파장(색상)의 빛을 만들어낼 수 있습니다. 그림2에서 주파수 281.7 THz(테라헤르츠)에 해당하는 1064nm 적외선이 특수한 결정을 통과하면, 비선형광학(Nonlinear optics)에 따른 이차고조파발생(Second Harmonic Generation, SHG)에 의해 281.7 THz의 약 2배 주파수인 563 THz으로 변환된 녹색 가시광선과 그 과정에서 남는 자외선도 함께 출력됩니다. 이렇게 원본 주파수를 2배, 3배, 4배 등으로 변환해 필요한 빛을 만들어내고 필요 없는 IR은 필터로 차단하여 사용합니다.

주파수와 파장의 관계는  f * λ = c로, 간단히 해당 파장을 가진 빛의 주파수를 알 수 있습니다.
f : 주파수, 단위 헤르츠 Hz
λ : 파장, 단위 미터 m
c : 빛의 속도, 3억m/sec

파장과 주파수 관계 예시
1064nm(적외선) : 281 THz
532nm(녹색) : 563 THz
355nm(자외선) : 844 THz
266nm(자외선) : 1.127 PHz
그림2. 2차 고조파 발생 원리를 통한 1064nm로부터 532nm로의 변환과정

 이것이 이차고조파발생 원리를 이용한 빛의 파장변환 과정이자 DPSS 레이저의 핵심입니다. 그 외 3차(Third-HG), 4차(Fourth-HG), 5차(Fifth-HG)와 같이 짧은 파장대의 빛을 만들거나 반대로 더 긴 파장을 만들어내는 경우도 있지만 매우 특수한 경우에나 이용하는 방법이므로 여기서는 다루지 않습니다. 이러한 SHG 결정은 532nm용으로 보통 LBO결정(LiB3O5), BBO결정 (β-BaB2O4), KTP 결정(KTiOPO4) 등이 많이 사용됩니다. 이중에서 KTP 결정이 휴대용 레이저 포인터에 주로 사용됩니다.

 보통 이렇게 파장이 바뀌는 경우 KTP결정 기준으로 변환된 빛은 결정의 변환효율상 원래 빛의 40-50%정도 출력을 낼 수 있지만, 실제 결정의 상태, 변환조건(온도, 입사각도 등)에 따라 효율이 바뀌며 휴대용 레이저포인터로는 통상 약 20% 효율을 보인다고 알려져 있습니다. 나머지 80% 중 일부는 결정내에서 열로 바뀌고, 다른 일부가 (약 50-60%) 변환되지 않고 투과되어 나옵니다. 결정은 온도변화에 민감하며, 정해진 각도에서 들어오는 빛만 변환하며, 또한 약한 빛으로는 변환되지 않기에 강한 빛을 쏴서 고작 1/5 출력만 얻어낼 수 있으며, 온도변화가 심하면 출력도 그에 따라 불안정해집니다.


2. 일상용 532nm 레이저포인터의 구조

 그러면 우리가 자주 쓰는 532nm 레이저는 어떠한 구조인가 알아보겠습니다. 일반적인 레이저포인터의 구조의 자세한 그림을 그려둔 곳이 있어 가져왔습니다.
그림3. 532nm 레이저포인터의 구조 (Sam's Laser FAQ)

 그림3는 일반적인 532nm레이저포인터의 구조입니다. 건전지 오른쪽에는 808nm용 펌프 레이저 다이오드 드라이버가 있고, 그 옆에는 DPSS 모듈이 있습니다. DPSS 모듈의 확대도를 보면 다이오드에서 나온 808nm 적외선 레이저가 볼록렌즈에 의해 네오디뮴이 첨가된 YVO4 결정에 집광되면 YVO4 결정으로부터 1064nm 레이저가 발생합니다. 이 과정은 빛을 사용하여 레이저를 발생시키는 원리(광학적 펌핑과정 Optically Pumping이라고 부릅니다)로써 이런 레이저를 고체레이저(Solid State LASER)라 부릅니다. 808nm의 레이저 다이오드로 펌핑되어 발생하는 레이저이기에 "Diode-Pumped"가 앞에 붙고 뒤에 Solid-State LASER가 합쳐져서 DPSS LASER라 부르게 됩니다. 이런 고체레이저를 발생시키기 위한 수단으로는 다이오드 레이저(DP) 이외에 아크 램프(Arclamp)나 플래시램프(Flashlamp) 등 다른 방법이 있으나, 다이오드 레이저를 쓰는 것이 현재 가장 효율적입니다. 그렇게 발생한 1064nm 적외선이 이번에는 KTP결정을 통과하면서 그림 2에서 설명한 대로 532nm로 바뀌고, KTP에서 변환되지 않고 흡수되거나 투과된 808nm는 마지막에 IR필터에서 1064nm와 함께 차단되어 최종적으로 532nm 파장만 나오게 됩니다. 532nm 레이저는 이런 복잡한 구조 때문에 단가가 비싸지며, 원하는 출력을 얻기 위해서는 변환효율상 808nm 출력의 강력한 레이저를 사용해야 하고,  최종적으로 변환 중에 부수적으로 발생한 1064nm와 808nm를 차단하는 필터가 반드시 들어가야 합니다. 이것이 위험하다는 얘기입니다.  일반 강의/발표용으로 1mW 급 출력의 레이저를 얻기 위해서 100mW 급 고출력 (이 정도면 직시할 경우 안구 안쪽 세포가 타버려 영구손상) 레이저를 발생시키고 변환하는데, 필터가 없다면 여기서 남은 수십 mW 급 적외선 레이저가 나오고 맙니다. 이 정도면 산란광은 괜찮지만 반사광이 사람 눈에 들어가면 햇빛을 직시한 것처럼 시야의 일정영역이 검게 변하고, 시간이 지나면 회복될 수도 있으나 조금이라도 오래 쬐이면(약 1초 이상) 아예 시야에 검은 구멍이 생긴 듯한 영구적 손상을 가져올 수 있습니다. 밀리와트(mW)라 해서 약한 것 아니냐 생각할 수도 있는데, 레이저는 정돈된 빛이므로 그 강도를 일반 램프의 출력과 동등하게 봐선 안 됩니다. 얼마나 밀도가 높은 빛인지 태양빛이 지구 지표면에 도달하는 열량과 직경 1.5mm의 1mW 레이저를 비교해 보겠습니다.

인공위성에서 측정기준 태양상수 S : 1367W/m2
태양상수는 지구가 23.5도 기울어져 있으므로 계절에 따라 바뀝니다. 한국위도 36도기준
겨울 S winter = S×sin(90-23.5-36) = 0.507 S
봄가을 S spring/fall = S×sin(90-0-36) = 0.809 S
여름 S summer = S×sin(90+23.5-36)= 0.976 S 
지표 도달 : 50%

최종 평균지표도달 단위면적당 태양에너지 : S crust = 522W/m2

직경 1.5mm 1mW 레이저: 565.8W/m2 [0.001W/(0.00075m2*pi)]

고작 1mW 출력 레이저의 에너지가 지표에 도달하는 태양빛과 거의 동등하거나 1/3~1/2정도밖에 차이가 나지 않습니다. 어릴 때 돋보기로 햇빛을 모아 종이 태우기 해보신 분들도 많으리라 생각되는데, 1mW 레이저로도 종이를 태우는 것이 가능합니다. 백열전구나 형광등이 수십W 또는 100W급인데, 면적으로 나눠서 밀도로 계산하면 위의 두 경우에 비해 터무니없이 작다는 것을 알 수 있죠. 햇빛을 직시하면 잠시동안 눈이 마비될 정도인데, 그와 비슷한 수준의 광량을 가지고 있는 것이 레이저입니다. 밑에서 언급하겠지만 1mW가 아니라 50mW를 생각해 보십시요. 태양빛의 수십배입니다.

 다시 화제를 돌아와서 사람 눈의 색민감도(참고2)를 알아보겠습니다. 사람 눈에서 녹색은 적색이나 보라색 등 동일 출력의 다른 색상에 비해 민감하여, 녹색 5mW라면 눈이 부셔 눈을 감아야 할 정도로 훨씬 밝게 보입니다. 더군다나 시중에서 1mW다 5mW다 판매하지만 측정해보면 실제로는 1mW 제품이 6~8mW, 5mW 제품은 20~30mW로 너무 눈부시고 위험하여 일상용도로 부적합한 것들이 버젓이 판매되며, 이런 것을 모르고 구입한 사람들은 당연하게도 모르는 새 자신과 타인의 시력에 악영향을 주는 경우가 발생합니다. 따라서 532nm 만큼은 철저히 검증된 레이저를 구입하는 게 좋습니다. 다이오드 레이저의 경우 특별히 복잡한 구조 없이 바로 다이오드에서 나온 빛이 렌즈에 의해 정돈되어 직선광으로 나오는 수준에 출력조절용 나사 또는 버튼이 있는 정도며, 사용자가 예상치 못한 다른 파장의 빛이 발생할 여지가 없기 때문에 출력만 유의하면 근본적으로 안전합니다.


그림4. 사람 눈의 색민감도 (Wikipedia : Color Vision)


3. ebay 등지에서 구입한 레이저포인터의 실제 측정결과

 아래 그래프는 제가 ebay 등지에서 값싸게 구매한 레이저포인터의 스펙트럼을 측정한 결과입니다. 적외선 980nm 레이저를 제외하면 405nm 보라색, 532nm 녹색, 650nm 적색 레이저는 3색 세트로 5mW 이하 출력용을 구입하였으나 실상은 달랐습니다.

그림5. 각 레이저 포인터별 스펙트럼 측정결과

 측정방법은 레이저를 종이에 비스듬히 대각선으로 반사하여 측정기에 빛을 넣었으며, 측정기의 스펙상 530nm 이하의 파장은 측정할 수 없었습니다. 405nm는 반사된 빛을 옆에서 봤을 때 보라색이 아니라 푸르스름한 하얀색으로 보였는데, 이 현상은 스펙트럼에서 볼 수 있듯 종이가 보라색 빛을 맞아 녹색, 노랑색, 주황색, 적색, 적외선 발광을 발생시키는 바람에 색이 섞여서 푸르스름하고 백색같은 느낌의 색을 볼 수 있었던 것으로 생각됩니다. 또한 측정장치의 스펙상 4000카운트 윗쪽으로는 받아들일 수 없어 잘렸지만, 약간의 808nm와 1064nm 대역의 빛이 강하게 나오고 있는 것을 확인하였습니다. 녹색레이저의 4000카운트 윗쪽이 잘린 면과, 빛을 파장별로 나눠서 측정할 수 없었으므로 단정하긴 어렵지만 녹색이 5mW라 가정하면 50mW는 적외선이며, 당연하게도 이 수준은 발표용으로는 매우 위험합니다.

아래는 스펙트럼 측정 후 파워미터로 각 레이저포인터의 출력을 실제 측정한 결과입니다.

상품설명상 5mW 출력용
405nm : 20mW (강력한 출력이지만 사람 눈이 보라색에 둔감하여 그럭저럭 밝은 수준)
532nm : 55mW (눈에 보이지 않는 적외선을 제외하고서도 녹색이 매우 눈부심)
650nm : 8mW (약간 높은 출력이지만 발표 강의용으로 허용될 수준의 밝기)

상품설명상 50mW 출력용
445nm : 63.2mW
980nm : 47mW

4. 위험한 건 알겠는데 어쩌라고...?
 이상의 내용에서 532nm는 위험해서 못 쓰겠다 싶겠지만, 10만원 가까이 하는 제품들은 설계가 우수하고 IR필터도 사용하며, 출력도 1mW 급으로 낮아 안전하게 사용 가능합니다. 하지만 이 가격으로 사기에는 너무 비싸고 싼 것을 찾자니 위험하여 이러지도 저러지도 못하는 상황이 발생하기도 합니다. 앞서 언급하였듯 같은 밝기(출력)라도 녹색이 사람 눈에 가장 잘 보이는데 저출력 적색 또는 보라색을 쓰기엔 녹색이 트랜드라는 이상한(?) 면도 없지 않은 가운데, 딱 요즘 들어 대체품이 나오기 시작했습니다. InGaN 반도체 다이오드를 사용한 510-520nm대역의 레이저가 시판을 개시했으며, 이것은 필터가 필요없는 단순한 구조이기 때문에 점차 대량생산되면 값싸고 안전한 녹색 레이저를 사용할 수 있습니다. 대표적인 브랜드로는 오스람(Osram, 전구의 그 오스람 맞습니다)이 만든 다이오드를 사용한 레이저가 시중에 판매되기 시작했으니, 필요하다면 알아보는 것도 좋을 것 같습니다.


5. 마무리
 532nm 레이저를 써야 한다면 충분히 검증된 제품을 사용하기 바라며, 요즘은 대체품으로서 510nm 레이저도 있으므로 충분히 고려해 볼 만하다는 것이 결론입니다. 레이저 안전규격(Class 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4)까지 설명하면 너무 길어지므로 생략했으며, 탄산가스 레이저 가공기에 관한 잡담으로 마무리하고자 합니다.

 최근 인터넷에서 중국제 소형 레이저 가공장치를 수십만원 선에 구할 수 있습니다. 이 장치는 탄산가스(CO2) 레이저를 사용하며, 물건을 자르거나 가공하는 용도로 무지막지한 고출력 레이저를 사용합니다. 절대 눈에 보이지 않는 10.6μm 적외선이며 40~50W 급의 레이저를 사용하는데, 기본적으로 메뉴얼대로만 사용한다면 문제가 없지만 작동 중에 뚜껑을 열고 들여다 본다거나 손을 넣는 등 행위는 절대 하지 말기를 바랍니다. 레이저에 맞은 손이 타거나 구멍이 뚫리는 등 절단사고의 위험성이 있습니다. 기본적으로 레이저의 발생 경로와 가공 스테이지까지의 광학계가 단단히 고정되어 있겠지만, 이것이 강한 충격으로 틀어지게 되면 의도하지 않은 방향으로 레이저가 튀어 사고가 발생할 수 있으므로 최소한 탄산가스 레이저용 보안경을 반드시 착용한 후 작업할 것을 권장합니다. 전용 보안경이 아닌 안경이나 선글라스는 그냥 투과되므로 맨눈으로 있는 것과 동일하니, 부디 안전하게 사용하시길 바라며 이만 줄이겠습니다.


* 이 글은 PRETTY MAZE님의 도움으로 글을 다듬어서 게시되었습니다. 다시한번 감사의 말씀을 이 자리를 빌어 드립니다.

1 comment:

  1. 아주 유용하고 도움이 되는글 감사드립니다.

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