레이저 무기

[Kim byoungil]

1. 레이저(LASER)란?

  LASER은 ‘유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’의 약어이다. 여기서 핵심은 유도방출과 증폭인데 이는 빛-물질 상호작용에 대한 이론을 기반으로 하고 있다.

  이 이론에는 세 가지 기본 과정이 있는데 그것은 바로 ‘유도흡수’, ‘자발 방출’, ‘유도 방출’이다. 물질을 이루는 기본 입자는 원자다. 이 때 원자는 양성자인 핵과 그 주위의 일정한 궤도에 존재하는 전자로 구성되어 있다. 전자가 존재할 수 있는 궤도는 다양하게 존재하며 각각의 궤도에 존재하는 전자는 그에 해당하는 에너지를 가지고 있기에 에너지가 낮은 궤도에서 높은 궤도로 이동하거나 높은 궤도에서 다시 낮은 궤도로 이동할 때 에너지를 흡수하거나 방출하게 된다.

  이 때 흡수하거나 방출하는 에너지의 형태가 빛이 될 수 있다. 전자가 가장 낮은 에너지 궤도에 있을 때를 ‘바닥상태’, 일정한 에너지(hν)를 흡수하여 높은 에너지 궤도에 있을 때를 ‘들뜬상태’라고 할 때 ‘유도흡수’ 과정은 전자가 들뜬 상태가 되기에 충분한 에너지(hν)를 흡수하는 과정이다.

  오늘날 우리는 아이슈타인이 설명한 빛의 입자성(‘빛은 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 광자라고 하는 입자들의 흐름이다’)을 기반으로 빛을 셀 수 있는 광자로 생각할 수 있다. 그렇다면 기존에 전자를 들뜬 상태로 만들기 위해 필요했던 에너지(hν)와 동일한 양의 에너지를 가진 빛(광자 1개)을 들뜬 상태인 원자에 입사시키게 된다면 어떻게 될까?

  결과는 입사한 빛(광자 1개)이 원자와 상호작용한 결과 입사한 빛(광자 1개)과 동일한 빛(광자 1개)이 방출되게 되는데 이것이 바로 ‘유도 방출’의 과정이다. 즉 ‘유도 방출’의 결과 입사된 빛이 증폭되는 원리를 이용한 것이 바로 ‘레이저’이다.

• 레이저 구성요소

  앞에서 살펴본 빛-물질 상호작용 이론을 바탕으로 레이저를 구현하기 위해서 필요한 구성 요소로는 펌프, 이득매질, 공진기 세 가지가 있다. 펌프는 외부 에너지원으로 물질(원자)을 들뜬 상태로 만들기 위해 필요한 에너지를 공급하는 소자이다.

  이득매질은 공급된 에너지에 의해 들뜬상태가 되는 물질로서 기체, 액체, 고체 등 구성물에 따라 분류될 수 있다. 공진기는 이득매질을 통해 빛(광자)이 왔다 갔다 할 수 있도록 전환시키는 소자로서 두 개의 거울로 구성되는데 한 쪽은 전반사(반사율 100%) 거울이지만 다른 한 쪽은 부분 반사 거울로서 증폭된 빛을 방출시키는 역할을 한다.

[그림 4] 레이저 구성 요소

• 레이저 분류

  레이저 기술을 활용할 수 있는 분야가 매우 넓기 때문에 새로운 레이저를 개발하기 위한 연구가 현재까지도 활발히 진행되고 있다. 때문에 오늘날 다양한 종류의 레이저가 하루가 멀다 하고 새롭게 소개되고 있다. 다양한 레이저를 분류하는 기준으로는 크게 레이저 이득매질, 방출 형태, 파장이 있다. 이 때 레이저 출력이 상대적으로 세거나 약하거나 혹은 부피가 크거나 작다고 해서 무조건 좋은 레이저라 할 수는 없다. 레이저를 활용하는 다양한 분야에서 활용 목적을 달성할 수 있는 레이저를 선택하는 것이 무엇보다 중요하다.

[표 1] 레이저 분류

• 레이저 특성

  앞에서 소개한 다양한 레이저 또한 결국 빛이기 때문에 광학적 특징을 가지게 되는데 대표적으로 단색성, 간섭성, 지향성, 집속도, 고에너지 강도라고 할 수 있다.

  먼저 레이저가 단색성이라고 해서 말 그대로 단색이거나 이를 결정하는 레이저 파장이 완전한 단일파장이라는 말은 아니다. 그러나 일반적인 자연광이 넓은 영역에 걸친 파장을 방출하는데 비해 레이저는 단일파장이라는 이상적인 모습에 보다 근접하게 방출된다는 것이다. 이러한 특징은 간섭성과 연관지어 이해할 수 있다.

  간섭성이란 흔히 결맞음Coherence이라고도 하는데 앞서 설명한 단색성의 정도에 대한 측정치로 세부적으로 시간적·공간적 결맞음으로 나뉜다. 이는 레이저를 이루는 빛이 평균 시간 간격 동안 특정하게 진동한다고 했을 때 일정 시간이 지난 뒤 어느 지점에서, 혹은 특정 시간에 위치한 한 지점에서의 빛의 상태에 대해 확신을 가지고 예측할 수 있다는 것이다.

  앞에서 말한 단색성과 간섭성의 특징으로 레이저를 구성하는 각각의 빛은 서로 상쇄되지 않고 보강하여 어느 지점까지 도달하게 된다. 이 때 레이저를 발사할 시 빔이 거의 퍼지지 않는 것은 빔 퍼짐각이 아주 작기 때문인데 이러한 특성이 바로 지향성이다. 지향성은 앞서 설명한 레이저 공진기의 기하학적 구조와 유도 방출 원리에 의해 간섭성이 높은 빛(광자)들을 발생시킨다는 사실에 기인한다.

  더불어 지향성을 가진 레이저 빔은 렌즈를 통해 매우 작은 범위로 집광할 수 있으며 그 지점에서의 에너지 강도는 면적 대비 매우 높은 특성을 가지게 되는데 이것이 바로 집속도Focusability와 고에너지 강도Intensity이다.

[그림 5] 레이저 특성

• 광섬유 레이저

  앞의 사례에서도 살펴봤듯이 과거 기체 및 화학 레이저의 개발로 시작된 군사용 레이저(연속형)의 발전은 고체 레이저로 전환되었으며 오늘날에는 고체 레이저 중 특히 광섬유 레이저를 활용한 무기체계 개발이 주를 이루고 있다. 비록 기체 및 화학 레이저의 장점에도 불구하고 무기체계로 활용하기에는 제한사항이 많았는데 이를 극복할 수 있는 방안이 바로 고체 레이저였음이 분명하다.

[그림 16] 연도별 레이저 출력 증가 현황

[표 4] 기체·액체·고체·광섬유 레이저 장·단점

  [표 4]는 각각의 레이저의 장·단점을 정리한 내용이다. 세부적으로 보면 기체 레이저는 매우 균일하게 유지된 기체를 이득 매질로 사용하여 매질이 저렴하고 결맞음성이 우수하며 열에 의한 왜곡이 적은 장점이 있지만 기체 특성 상 다른 레이저에 비해 부피가 매우 크다는 단점이 있다.

  액체 레이저는 이득매질이 액체로서 구성하고 있는 분자가 균질하게 용해되어 있기 때문에 제조상의 결함을 피할 수 있으며 방출 레이저의 파장을 바꾸는 작업이 용이할 뿐만 아니라 이득매질인 액체를 순환시켜 냉각효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 시스 템의 보수유지 및 최초 설계가 복잡하고 염료의 수명이 짧고 시간이 지남에 따라 염료 품질 저하로 주기적 염료 교환이 필요할 뿐 아니라 화학적 독성으로 취급 주의가 필요하며 이 또한 부피가 크다는 단점이 있다.

  기체 및 액체 레이저의 단점을 극복하기 위해 이후에는 이득 매질을 고체로 사용한 고체 레이저가 발전을 거듭하였다. 고체 레이저의 발전 추세를 살펴보면 초기 고체 레이저의 이득 매질 형상은 기본적으로 원기둥(ROD) 형태가 많았는데 이러한 ROD 형태는 내부와 표면의 온도차로 인해 ROD 자체가 볼록렌즈로 작용하여 레이저의 빔 품질과 출력 저하 현상 등의 불안정한 현상을 야기하였다(이러한 현상을 thermal lensing effect라 함).

[그림 17] thermal lensing effect

  때문에 이득 매질의 고온발열을 방지하고 레이저빔의 집광성 개선을 위하여 디스크DISK 및 슬래브SLAB 형태로 발전하게 되었다.

[그림 18] 디스크(DISK) 및 슬래브(SLAB) 형태 레이저

  차후에는 이득 매질의 냉각을 용이하게 하기 위해 기하학적으로 변형하여 ROD의 직경을 작게 하고 길이를 길게 함으로써 표면적 비율을 높여 냉각 효율을 높이는 방식의 연구가 진행되었는데 이것이 광섬유 레이저의 유래라고 할 수 있다.

[그림 19] 매질의 기하학적 변형과 광섬유 레이저

  이후 광섬유 레이저는 연도별로 발전을 거듭하였는데 1960년대 초기 형태 광섬유 레이저가 개발된 이후 1980년대 이르러 희토류 광섬유를 이용한 최초의 단일모드 광섬유 레이저 및 증폭기가 개발되었고 1990년대 말 광섬유 레이저를 이용한 광통신 및 인터넷 관련 시장의 포화와 거품 붕괴로 인해 2000년대에 들어서는 기체 및 고체 레이저 대체 고출력 광섬유 레이저 연구 분야가 개척되기 시작했다. 2000년대 초반에 최초의 kW급 고출력 단일모드 광섬유 레이저가 개발되었고 2000년대 후반 및 2010년대에는 kW를 상회하는 단일모드 광섬유 레이저가 상품화되었다.

[그림 20] 광섬유 레이저 평균 출력 발전 현황

  이렇게 최근까지 광섬유 레이저가 발전을 거듭할 수 있었던 것은 레이저 발진 효율이 높고 냉각 특성이 탁월할 뿐만 아니라 이득 매질의 손상이나 모드의 왜곡 현상으로부터 상대적으로 자유로우며 자유 공간 광학계의 사용이 불필요하거나 최소화되어 구조가 매우 단순, 집적화될 수 있어 시스템의 소형·경량화가 가능할뿐더러 안정성과 내구성이 높고 외부 충격에 따라 광학계 정렬이 흐트러질 우려가 없기에 결과적으로 제작 및 운용비용이 상대적으로 낮은 광섬유 레이저의 장점이 있었기 때문이다.

  또한 구조적으로 가늘고 긴 광섬유의 특성상 고출력의 레이저를 발진할수록 비선형효과가 커져 효율이 떨어지는 단점이 있지만도 이를 극복할 수 있는 여러 가지 기술들이 함께 연구되고 있기에 광섬유 레이저의 발전은 계속되고 있다.

• 광섬유 레이저란?

  이후 설명될 고출력 광섬유 레이저에 대해 이해하기 위해 기본적인 광섬유 레이저에 대해 알아보자. 광섬유 레이저란 레이저의 기본 구성요소 중 공진기가 가늘고 긴 광섬유로 이루어진 레이저를 말하며 이때 이득매질은 광섬유 중앙에 유리가 첨가된 불순물 원자로 만들며, 입력되는 레이저 신호를 직접 증폭할 수 있기 때문에 고출력을 얻는데 주로 사용된다.

[그림 21] 이득 매질 첨가 원소에 따른 광섬유 레이저 스펙트럼

  광섬유 레이저의 구성은 기본적으로 펌프 다이오드 레이저Pump Diode Laser, 이터븀 엑티브 파이버 Ytterbium Active Fiber, 광섬유 브래그 격자FBGFiber Bragg Grating로 구성되어 있다.

[그림 22] 광섬유 레이저 구성

  펌프 다이오드 레이저는 [그림 23]과 같이 파이버의 클래드를 통해 전반사하면서 파이버 코어에 흡수된다. 흡수된 빔은 빛을 방출하고, 거울 역할을 하는 FBG에 의해 빔이 증폭된다. 앞서 광섬유 레이저의 장점에서와 같이 빛의 펌핑에서부터 레이저출력의 모든 과정이 파이버의 내부에서 이루어지기 때문에, 외부 충격에 강하고 광학계의 정렬이 필요 없는 것이 특징이다.

[그림 23] 광섬유 레이저 전파 과정(전반사)

  광섬유 레이저 구성 부품 중 광섬유 레이저의 발전을 가능케 한 부품으로 더블 클래딩 광섬유와 고출력 펌프 컴바이너가 있다. 펌프 레이저(LD)에서 나온 펌프 광을 이득 매질인 Gain 광섬유에 효율적으로 입사시키는 것이 고출력 펌프 컴바이너라면 입사된 광이 전달되는 Gain 광섬유는 펌핑 효율과 광 출력을 높이기 위해 광섬유의 클래딩이 2개로 구성되어 더블 클래딩 광섬유라 불린다.

[그림 24] 더블 클래딩 광섬유/고출력 펌프 컴바이너

• 고출력 광섬유 레이저

  광섬유 레이저는 발전을 거듭하여 고출력화가 가능해졌는데 고출력 광섬유 레이저 또한 크게 희토류 혼입 광섬유, 펌프 광원, 펌프광 결합 광학계 및 기타 광학 및 광섬유 소자로 구성된다.

[그림 25] 고출력 광섬유 레이저 기본 개념도

  이후 설명할 고출력 광섬유 레이저 관련 기술은 광학적 지식을 기반으로 공학적 기술을 접목한 첨단 기술인 탓에 여기서 설명한 것만으로는 모든 것을 이해할 수는 없겠지만 고출력 광섬유 레이저 시스템 구조, 출력 증대에 따른 현상 및 완화 방안에 대한 개괄적인 내용을 소개함으로써 고출력 레이저 무기체계와 발맞춰 진행되는 연구 방향에 대해 조금이나마 이해하기를 돕기 위해 반영하였다. 보다 구체적인 내용에 대해서는 참고자료 논문을 참고하길 바란다.

  고출력 광섬유 레이저 시스템은 구현하기 간단하고 효과적인 레이저 공진기 구조가 있는 반면 특수한 성질을 갖는 고출력 레이저를 생성하도록 구현된 주공진기 출력 증폭기 구조(MOPA)가 있다. 다만 MOPA 구조는 추가적인 장비(Isolator)와 증폭 시 잡음 발생 및 출력 레이저 왜곡 가능성을 배제할 수 없는 단점이 있다.

• 레이저 무기체계 장·단점

  레이저가 빛으로서 광학적 특성을 가지기 때문에 무기체계 활용 시 장점과 단점이 예상된다.

  장점 ➊ 빠른 교전 시간이다. 빛의 속도로 에너지를 전달하는 레이저는 초당 30만km로 날아간다. 지난 2020년 11월 발표된 러시아 극초음속 미사일이 마하 8(초당 2,500m)의 빠른 속도를 지녔음에도 레이저 발사 속도에는 못 미치는 것을 알 수 있다. 즉 표적이 아무리 빨라도 레이저를 회피하거나 역대응하는 것은 사실상 불가능하다.

  장점 ➋ 정밀타격이 가능하고 표적에 의해 발생하는 피해를 최소화 할 수 있다. 먼저 정밀타격은 고에너지를 집속하여 개별 표적만을 높은 정밀도로 조준할 수 있는 레이저의 특성에 기인한다. 오늘날 레이저 기술은 집속을 통해 수 nm 크기의 미세가공도 가능하기에 흔히 알고 있는 개인 소총의 5.56mm 탄환보다 작은 영역 안에서도 높은 강도의 레이저를 조준하여 표적을 구분해 제압할 수 있다.

  장점 ➌ 오늘날 재래식 무기들은 폭발성이 높은 탄약들을 사용하여 적을 제압한다. 재래식 무기는 위험한 탄약을 사용하기 위해 사전에 저장한다. 이는 탄약 부대, 탄약고, 아군 무기체계 등 아직 발사되지 않은 탄약은 역으로 아군에게 2차 피해를 줄 수 있다. 하지만 레이저 무기는 그에 반해 폭발성이 낮은 전기장치에 의해 구현되어 폭발 시에도 2차 피해를 최소화 할 수 있다.

  장점 ➍ 발사 및 운용유지 비용이 저렴하다. 우리가 흔히 아는 종말 단계 요격미사일인 사드 1발 가격은 110억 원 가량이고 기지 건설 및 운용유지 비용은 천문학적인 수준이 요구된다. 또한 오늘날 위협이 되는 소형 무인기 대응 지대공 미사일(ex 신궁) 또한 단가가약 2억 원으로 만약 소형 무인기가 군집비행으로 공격해 온다면 소요되는 대응 비용은 명중률을 고려했을 시 기하급수적으로 증가하게 된다. 반면 레이저 무기는 개발 및 제작비용이 많이 요구되지만 한 번 발사 비용이 1달러(1,200원) 이하로 예상되기 때문에 비용 대 효과 측면에서 우위를 점할 수 있다.

  장점 ➎ 적을 살상하지 않고도 무력화 시킬 수 있는 비살상 효과를 거둘 수 있는 등의 많은 장점들이 있다.

[그림 6] 대기 감쇠 영향

[그림 7] 대기 난류 영향

[그림 8] 파장별 대기 투과율 및 주요 흡수 기체

  단점 ➊ 대기 감쇠 및 난류의 영향이다. 이는 대기 중 입자(먼지, 연기), 수증기 또는 대기난류 등에 의해 흡수(에너지 감소, 열적 확산, 대기 방전), 산란 등의 현상이 발생하는데 이는 거리에 따라 에너지가 줄어드는 것뿐만 아니라 동시에 굴절되어 표적에 원하는 에너지를 투사할 수 없게 된다. 이에 대해서는 이미 레이저를 민간분야에 활용하기 위해 선행된 연구에서 밝혀진 내용으로 오늘날 적응광학기법을 이용한 난류 극복이나 산란을 포함한 에너지 감쇠 현상들을 극복하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 고출력 레이저를 활용 시 대기조건에 대한 의존도가 높아짐에 주의해야 한다.

  단점 ➋ Line of Sight(LOS) 한계를 가진다. 레이저 무기는 표적과 교전하기 위해 LOS 유지가 필요하다. 만약 표적이 특정 물질로 차단되어 있다면 표적에 도달하는 레이저의 양이 현저히 줄어들 것이다. 또한 레이저가 영화에서처럼 전장에서 모든 종류의 물질을 파괴할 수는 없기 때문에 장애물이 있다면 표적까지 레이저빔이 전달되지 않아 임무수행 자체가 불가능한 경우가 생길 수 있다.

  단점 ➌ 일정시간 내 다표적 교전이 제한될 수 있다. 레이저 무기는 상당한 거리에서 금속이나 합성된 물질로 된 표적 표면을 녹이거나 화재를 일으키고 파괴하여 효과를 달성한다. 하지만 이것은 레이저 무기의 에너지가 충분히 높아 단시간 내 적을 파괴한다는 전제하에 가능하기 때문에 그렇지 못할 시 효과는 줄어들 수밖에 없다.

  단점 ➍ 운용병 및 아군의 인체 보호에 대한 이슈가 제기될 수 있다. 과거 사드 배치 간에도 전자파 인체보호 기준치를 초과한다는 주장으로 인해 배치 간 어려움이 있었다. 레이저 무기는 사람의 시력 또는 인체 손상에 직접적인 영향을 주기 때문에 운용 환경에서의 안전 대책이 강구될 필요성이 있다.

  앞으로 펼쳐질 미래전 양상을 많은 학자들이 예상한 결과, 미래 전쟁은 다양하고 복합적인 새로운 무기체계가 필요한 5차원 전쟁이 될 것이라 분석하고 있다. 또한 핵심기능 마비를 통제할 수 있도록 효과성과 경제성에 초점을 맞춰 적을 정밀타격할 뿐만 아니라 화약을 사용하지 않고도 적의 저항의지를 말살할 수 있는 비화약·비살상전이 확장될 것이라는 분석도 있다. 이러한 미래 전쟁 양상에 걸맞는 레이저 무기체계 개발에 있어 앞서 말한 단점은 최소화하고 장점을 극대화한다면 미래 전쟁을 주도할 국방력을 보유할 수 있을 것이다.

1. 레이저 총

한국의 레이저 대공무기 블록-1은 20 kw의 출력으로 3 km 이내에서 비행하는 쿼드드론 혹은 고정익 무인기를 요격할 수 있다.

보통 20 kw 출력 레이저포는 5-10 km 사거리를 갖는다.

2020년 9월, 강력한 레이저 빔을 쏘는 레이저 대공무기 위력시범은 충남 태안에 있는 국과연에서 이뤄졌다. 당시 시연에서 20㎾ 출력 레이저 빔이 1㎞ 거리에 떨어져있던 철판 표적을 뚫었다. 시연에 쓰인 표적은 북한 노동미사일이나 2014년 파주에서 발견된 북한 무인기와 동일한 재질로 제작됐다.

2. 북한의 레이저 무기

미국이 앞서 언급한 YAL-1 항공기의 레이저 장착 실험이 한창 진행되고 있을 무렵인 지난 2003년 초 북한은 이미 휴대용 레이저 총을 가지고 있었다. 중국에서 개발한 이 레이저 총은 대인(對人) 무기체계로 사람에게 쏘면 시력을 잃게 만드는 것으로 알려졌다.
 
  이 레이저 총의 이름은 ‘ZM-87’이다. 이 총의 유효사거리는 2~3km이며, 최대 10km까지 조사가 가능한 것으로 알려졌다. 2~3km 내외에서는 사람의 시력을 잃게 만들고, 10km 내외에서는 일시적인 시력저하 등을 유발하는 것으로 알려졌다. 일부 전문가들은 북한이 이 레이저 총에서 발사되는 레이저 광선을 광학장비를 통해 확대하여 발사한다면 레이저의 파괴력이 더 높아질 가능성이 있다고 분석했다.
 
  지난 2003년 3월, 사무엘 테일러 주한미군 대변인은 “DMZ 주변에서 정기적인 임무를 수행하던 미군의 아파치 공격헬기 2대가 북한의 레이저 총에 맞았다”고 공식 발표했다. “임무를 수행 중이던 헬리콥터에서 레이저 감지 경보가 울렸고, 이는 레이저를 아파치 기체(機體)가 맞았을 경우에만 작동한다”고 대변인은 설명했다. 이 내용은 미국의 《워싱턴타임스》를 통해 최초 보도되어 국내에도 알려진 바 있다.
 
  주한미군은 북한의 레이저 공격 이후 아파치 헬리콥터 조종사들에게 레이저 광선 보호용 고글을 착용하도록 한 것으로 알려졌다. 미국의 국방전문가들은 북한이 휴대용 레이저 총과 레이저 거리측정기를 이미 전력화한 것으로 보고 있다.
 
  북한의 레이저 거리측정기는 탱크의 조준 정확도를 높이는 데 적용되고 있다. 최근 테러집단 IS와의 전투가 한창인 시리아에서도 북한의 레이저 거리측정기(Laser range finder)를 탑재한 북한산 탱크가 목격되었다.
 
  대북전문매체인 NK 뉴스에 따르면 시리아가 보유하고 있는 대다수의 탱크는 북한이 시리아에 1970~80년대 제공한 T-54와 T-55 탱크들이다. 북한은 T-54/55 소련제 탱크를 개량해 사용해 왔으며, 특히 이 탱크에 레이저 거리측정기를 장착해 조준 및 명중률을 높였다. 현재 시리아 육군에서는 이 탱크를 그대로 사용 중이며, 일부는 테러집단 IS의 손에 들어가 사용되고 있기도 하다.
 
  북한에서는 레이저를 군사무기로 만드는 데 오래전부터 관심을 가져왔다는 게 관계자들의 말이다. 익명을 요청한 일부 탈북자의 증언에 따르면, 이미 김정일 정권부터 레이저를 활용한 군사무기 개발이 여러 차례 있었던 것으로 알려졌다. 2000년대 초반 북한 평안남도 등에 ‘국방레이자무기연구소’를 설립해 레이저를 활용한 무기체계를 개발한 것으로 알려졌다. 이 연구소 등에서 개발한 레이저를 활용한 거리측정기, 레이저 저격무기 등을 중동 지역에 다량 수출했다는 증언도 나온 바 있다.
 
  2010년 4월 ‘조갑제닷컴’에 실린 한 기사는 천안함 폭침 사건 이후 발생했던 우리 해군의 잇단 링스(Lynx) 헬기 추락을 두고 북한의 레이저 무기에 의한 추락일 가능성을 제기한 바 있다.
 
  당시 해군의 링스 헬기는 미확인 물체를 추적하다가 복귀하던 중 추락했다. 당시 2일 간격으로 추락한 링스헬기는 한 대는 신형이고, 다른 한 대는 구형이었다. 이 추락을 두고 합참 및 관계기관에서 내린 결론은 조종사 실수, 불량 부품, 잦은 출동 등 엇갈린 결론들이 쏟아져 나왔다.

3. 미국의 레이저 무기 개발 

미국의 미사일방어망(MD)체계 구축이다. 1983년 3월, 당시 미국의 레이건 대통령은 전략방위구상(Strategic Defense Initiative)을 발표해 소련을 비롯한 적국이 미국 본토를 향해 발사하는 미사일을 레이저로 요격하는 방법을 강구했다. 당시 이 전략방위구상은 미래에나 나올 법한 신기술로 여겨 ‘스타워즈(Star Wars)’ 프로젝트로 알려지기도 했다. 그로부터 약 20년이 지난 2000년대 초반, 당시 미국의 부시 대통령은 이 레이저 요격 기술을 구체화하기 시작했다. 미 국방부는 약 100억 달러(약 11조원)를 쏟아부어 레이저를 사용해 날아오는 대륙간 탄도미사일(ICBM)을 요격하는 미사일 방어 시스템을 완성했다.
 
  이 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 것은 단연 ‘레이저’였다. 레이저를 사용해 추진단계(Boost phase)의 대륙간 탄도미사일을 요격하는 방식이었다. 레이저 요격은 보잉사(Boeing 社)의 747 대형 항공기 전면부 노즈(Nose)에 레이저 포드(Pod)를 장착해 운용했다. 이 대형 항공기의 이름은 YAL-1 에어본 레이저(Airborne Laser)이다.
 
  항공기 제작사인 보잉 이외에도 레이저 포드를 제작하기 위해 미국의 노스롭그루먼과 록히드마틴이 나섰다. 완성된 YAL-1 항공기는 2010년 시행된 테스트에서 2개의 모의 대륙간 탄도미사일을 성공적으로 요격했다. 실험에는 성공했지만, 이 레이저 무기체계는 전력화를 눈앞에 둔 지난 2011년 12월 전면 취소되었다.
 
  레이저의 사거리가 너무 짧다는 게 이유였다. 미국의 싱크탱크인 브루킹스 연구소(Brookings) 등에서 분석한 결과, YAL-1 항공기에서 발사하는 레이저는 본래 원거리에서 적의 미사일을 요격해야 하는데, 제 기능을 발휘 못한다고 평가했다. 사거리가 짧다는 것은 적의 방공망(防空網) 내부에까지 항공기가 진입해야 한다는 뜻이다. 적의 지대공(地對空) 공격에 표적을 자처하는 꼴이다.
 
  또한 추진 단계의 미사일은 빠른 속도로 고도를 높이는데 이 추진 단계의 미사일을 항공기가 적기(適期)에 쫓아가 레이저를 발사하는 것도 문제로 지적되었다. 레이저 발사 시점에서 이미 미사일은 고도를 높여 요격이 어려워진다는 것이다.
 
  로버트 게이츠 국방장관도 2009년 현직에 있을 때 “이 무기체계가 우리가 요구하는 사거리를 가지려면 지금보다 최소 20~30배 정도 더 강력한 파워를 가져야만 한다. 지금의 발사 강도로는 전력이 될 수 없다”고 직격탄을 날렸다. 결국 10조원이 넘는 돈을 투자한 이 야심찬 레이저 무기체계는 빛을 보기도 전에 사라져버렸다. 이를 두고 미국의 《LA타임스》 등은 국방부의 잘못된 계산을 신랄하게 비판했다.

• 해외 레이저 무기체계 개발 동향 및 발전 추세

  미국은 미 공군이 1960년대 초반 개발된 기체 레이저(CO2)를 사용하여 1970년대 초반 미 공군기지 내에서 실험한 결과 당시 출력은 수백 kW이고 무인항공기를 격추하였다고 공식 보고하였다. 이후 1970년대 중반에는 미 육군이 궤도차량에 30kW 기체 레이저(CO2)를 장착시켜 무인항공기뿐만 아니라 무인 헬리콥터 표적까지 파괴한 실험을 하였다. 1970년대 후반에는 미 해군에서 400kW 화학 레이저(DF : 불화중수소)를 사용하여 비행중인 유선 토우 대전차 미사일 파괴 실험을 실시하였고 고에너지 레이저 무기뿐만 아니라 다소 낮은 전력의 Nd:YAG 및 기체 레이저(CO2)를 조합하여 적의 센서를 공격하는 저에너지 레이저 무기 개발이 동시에 진행되었다.

  1980년도 들어서 미 공군은 기체 레이저를 항공기에 장착하는 연구를 진행하였고 1980년대 초반 400kW급 기체 레이저(CO2)를 활용하여 다수의 미사일을 격추하는 실험을 성공하였다. 미 공군과 더불어 미 육군에서는 비슷한 시기에 화학 레이저(DF)를 이용하여 작고 휴대 가능한 장비를 고안하였는데 초기 출력은 100kW에서 이후 1.4MW까지 확대되어 미사일 방어를 위한 무기에 활용되었다. 1980년대 후반 미 해군은 2.8MW 출력을 가진 화학 레이저(DF)를 이용하여 무인항공기, 크루즈 미사일 등을 표적으로 하여 실험을 진행하였는데 그 중 하나가 MIRACL이다. 당시 미국 내 국방관련 한 기관에서는 MIRACL을 ‘자유세계에서 가장 강력한 전력을 가진 고에너지 레이저 무기 체계’라고 보고한 바 있다.

[그림 14] Mid-Infrared Advanced Chemical Laser

  지금까지 언급한 실험 외에도 공식 보고되지 않은 실험까지 생각한다면 미국은 1980년대까지 레이저 무기체계 관련 수많은 실험을 실행한 것이 분명하며 이를 통해 응용 가능한 출력과 에너지를 방출할 수 있는 레이저를 얻기 위해 노력한 결과 화학 레이저(DF)와 산소-요오드 레이저(COIL)가 무기체계로서 활용 가능하다는 결론을 얻게 되었다.

  1990년대부터는 위에서 언급한 두 종류의 화학 레이저를 활용하여 레이저 무기체계 개발에 주력하였는데 대표적으로 미 육군에서 추진된 THEL Tactical High Energy Laser과 미 공군의 YAL-1A(Airborn Laser)가 있다. THEL은 400kW급으로 화학 레이저(DF)를 사용하였고 YAL-1A은 1~2MW급으로 산소-요오드 레이저를 사용하였는데 특히 YAL-1A는 탄도 유도탄을 부스터 단계Boost Phase에서 탐지하고 파괴하는 임무를 수행하게끔 개발되었다.

[그림 15] 항공기 탑재 레이저 무기체계(ABL)

  하지만 2000년대 초까지 지속 개발이 이루어지던 화학 레이저는 점차 개발이 취소되었는데 그 이유로는 화학 레이저를 활용함에 따라 거대한 체적, 복잡한 군수지원 관리 및 유독물질 취급 등 여러 문제가 발생하였기 때문이다.

  이러한 화학 레이저의 문제와 더불어 시대적으로 2001년부터 중동에서 테러와의 전쟁을 시작한 미국은 다시금 레이저 무기체계의 필요성을 느꼈고 이후 2000년대 중후반부터는 화학 레이저를 대체하여 레이저 무기체계에 적용할 수 있는 고체 레이저와 광섬유 레이저를 활용한 연구를 진행하였다.

  관련하여 미 육군에서 추진한 MTHEL Mobile Tactical High Energy Laser은 5kW 출력의 레이저 포로 장갑차에 탑재되어 무인기 요격용으로 제작되었고 이보다 앞선 2005년 개발 시작된 HELMTT High Energy Laser Mobile Test Truck은 2013년 10kW출력으로 박격포탄, 무인기를 대상으로 실험이 진행되었다. 2017년 미 육군에서는 60kW 출력의 광섬유 레이저 개발 성공을 미국 내 방산업체와 발표하였고 그 밖에도 미 육군 여단용으로 100kW급 기동 레이저 무기, 해병대에서 무인기 격추를 위한 30kW급 차량탑재형 레이저 무기 등을 지속 개발하고 있는 추세이다.

[표 3] 국가별 레이저 무기체계 개발 현황

  1970년대부터 최근까지 미국 사례를 중심으로 레이저 무기개발 동향을 살펴보았다. 이와 관련된 연구는 미국뿐만 아니라 대부분의 군사 강대국들이 연구를 진행하고 있으며 발전 추세로는 운용 공간 및 탑재 방식에 적합한 형태를 기준으로 시기별 사거리·출력을 지속 증대하여 전략·전술적 목표를 충분히 달성할 수 있는 레이저 무기를 전력화 할 것으로 대부분 전문가들은 분석하고 있다.

4. 한국의 레이저 무기 개발 동향

윤석영 KAIST 전기및전자공학부 석사과정 육군 대위

김규완 육군 미래혁신연구센터 초연결/감시정찰기술연구과 육군 대위

2000년대 초까지 고출력 레이저무기는 우주공간의 함정이나 비행체에서 사용되는 강력하고 파괴적인 무기로써 게임 또는 영화에서나 볼 수 있는 것으로 여겨져 왔다. 대중들에게 레이저무기는 강력한 출력으로 목표물의 취약한 부분을 정확하게 타격하여 그 목표물을 완전히 파괴하거나 작동 불능 상태로 만드는 수단으로 인식되었고 첨단 과학의 기술 없이는 구현할 수 없는 체계였다. 그런 레이저무기가 현실적으로 구현이 가능한 체계로 인식되기 시작한 것은 2013년에 미국이 USS 폰스 함에 33kW 출력의 LaWS(Laser Weapon System)를 시험 장착하고 대중에 공개했을 때부터이다.

[그림 1] USS 폰스 함에 시험 장착된 LaWS

 그 이후부터 레이저무기에 대한 세계적 관심과 개발이 본격적으로 시작되었으나 여러 시도에도 불구하고 개발의 어려움을 겪고 있으며, 지속적인 연구가 필요한 상황이다. 레이저무기 개발의 주요한 어려움은 수십~수백 kW 이상의 광원 출력이 가능하더라도 그로 인해 발생하는 광학 현상으로 인해 조사된 빔의 형태가 심하게 왜곡되고 이를 보상하기 위해 추가적인 노력이 필요하다는 것이다. 즉, 레이저무기를 효과적으로 활용하기 위해서는 고출력 레이저의 전파 특성을 정확히 이해하여 목표물에 얼마만큼의 피해를 줄 수 있는지 예측할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 고출력 레이저의 전파가 정확하게 모델링되어야만 지속 가능한 레이저무기 개발이 가능함을 의미한다.

이에 따라 우리는 레이저의 광학적 현상에 대한 이해를 바탕으로 대기 중 고출력 레이저 전파를 모델링하여 시뮬레이션을 구현하였다. 이해를 돕기 위해 먼저 레이저무기 개발 동향에 대해 알아보고, 레이저 전파 시 발생하는 현상들에 대해 규명하고자 한다. 또한 진행한 시뮬레이션의 수행 방법과 그 결과를 확인하고 이를 극복할 수 있는 적응 광학에 대한 소개와 함께 레이저무기 개발이 앞으로 나아가야 할 방향에 대해 제시하고자 한다.

고출력 레이저무기 개발 동향

미국은 레이저 개발 초기부터 통신에만 사용되는 것이 아닌 무기로도 활용할 수 있는 것을 선제적으로 판단하고 앞선 1960년대부터 본격적으로 레이저의 무기 활용을 위한 연구를 시작하였다. 연구 초기에는 현상학적 접근을 통해 고출력 레이저의 대기 전파 간 발생하는 현상을 중점적으로 연구하였다. 이후 체계적인 실험 및 이론 분석을 통해 레이저 전파의 광학적 특성과 발생 현상의 종류에 대해 구체적인 규명을 했다. 1980년대부터는 본격적으로 레이저 빔이 전파될 때 발생하는 왜곡을 보상하려는 시도를 시작 하였으며, 오늘날에 이르러서 kW급 이상의 레이저 출력이 가능해지면서 실제 무기체계 개발 및 매질별 레이저의 전파 특성에 대한 고도화 된 연구를 진행하고 있다.

이러한 레이저무기 개발의 선도국가인 미국에 이어 우리나라를 포함한 이스라엘, 독일, 영국, 일본, 중국 등 전 세계 국가들이 절대적인 ‘게임 체인저’로서 자리잡을 레이저 무기 개발에 박차를 가하기 시작하였다. 우리나라도 1999년부터 본격적으로 레이저무기 개발을 시작하였다. 비교적 뒤늦게 대열에 합류하였지만, 세계적인 추세에 맞추어 첨단과학에 대한 지속적인 투자와 관심을 바탕으로 방위사업청과 한화에어로스페이스에서 드론과 무인기를 주 목표물로 한 사거리 3km의 20kW 고출력 레이저무기를 제작 및 시험평가를 완료하여 2024년에 전력화할 예정이다.

미국 주요 레이저 무기체계 개발 회사인 Lockheed Martin의 레이저 개발팀을 이끄는 Robert Afzal은 다음과 같이 말한다. “With lasers, if you can see it, you can kill it.” 레이저의 무기로서 가장 매력적인 점이라 할 수 있는 것은 레이저가 일반 광원보다 직진성이 높고 지향성이 좋다는 점이다. 즉, 같은 위치 선상에 있으면, 우리가 볼 수 있는 것은 레이저무기로도 타격할 수 있다. 또한 현재 대부분의 무기는 직접 목표를 타격하고, 목표 근처에서 탄두를 폭발시키는 방식으로 반드시 탄약/탄두라는 운동에너 지를 전달할 매개체가 필요하다. 하지만 레이저무기는 순수 에너지 집약적인 무기체계로서 물리적인 접촉을 유발할 매개체가 필요하지 않으므로, 충분히 강한 레이저 광원 발생 가능 시 탄약의 수에 제한받지 않으며 지속 타격할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 이뿐만 아니라 타격 목표물인 무인기, 고정익, 회전익, 미사일 등의 가격에 비해 1회 출력 당 소모비용이 단돈 몇 천 원에 불과하여 아주 효율적이고 효과적인 무기라고 할 수 있다.

[그림 2] 미국 레이저 출력별 타격 목표 개념도

고출력 레이저 무기의 출력별 타격할 수 있는 목표물에 대한 분석과 미래 개발 계획은 지금까지의 실험과 분석을 바탕으로 미 국방성에서 제시한 지향성 에너지 로드맵 [그림 2]를 통해 알 수 있다. 해당 로드맵을 바탕으로 MW급 출력의 레이저무기 개발 시 탄도 및 극초음속 미사일에 대한 방어도 가능할 것으로 판단된다. 이와 관련하여 미 육군, 공군, 해군은 각 군의 특성에 맞추어 필요한 레이저무기를 선별하여 개발하고 있다. 특히 미 육군의 경우, 스트라이커 전투차량에 Raytheon사에서 개발한 50kW 레이저를 탑재한 ‘가디언’을 ’22년도에 실전 배치하였으나 세부적인 임무와 능력에 대해서는 보안을 유지중이다. 또한 250~300kW 출력의 레이저를 탑재하여 순항 미사일, UAS, 로켓 야포 박격포, 항공기 등으로부터 기지를 방어할 수 있는 ‘발키리’를 개발중이며 ’24년까지 시제품을 인도할 계획에 있다. 이 외에도 군집 UAS 공격에 대응하기 위한 수단으로 고출력 전자파를 활용한 무기체계를 위 무기체계들과 함께 운용하여 계층형 대공 방어망을 구축할 계획이다.

미국 외에 독일 Rheinmetall사는 고정형 20·30·50kW(빔 중첩) 광원을 개발·완료하였으며 1·5·30kW 출력의 레이저무기를 차량 및 포탑에 탑재하여 군사적 활용중이다. 또한 영국은 Dragonfire 프로그램을 통해 50kW 급 레이저무기 개발을 진행중이다. 이스라엘 Rafael사는 로켓, 야포, 박격포 요격을 목적으로 한 출력 100kW, 사거리 7km의 레이저무기 Iron Beam을 개발·완료하여 ’22년 4월에 로켓요격 시연에 성공하였으며 ’23년 남부 지역에 실전 배치할 예정이다. 이 외에 인접 중국 및 일본 또한 30kW~50kW급의 레이저무기를 개발하고 있다.

이처럼 레이저무기는 무인기부터 항공기, 순항 미사일 등 1개 시스템으로 요격, 파괴할 수 있는 목표물의 범위가 넓으며 재래식 무기체계와는 비교할 수 없는 장점들을 가지고 있다. 하지만 왜 이러한 레이저무기 개발이 힘든 것일까. 그것은 현재 레이저무기가 전파되는 공간이 대기라는 특성과, 앞서 이야기한 레이저 전파 시 발생하는 다양한 광학 현상에서 질문의 답을 찾을 수 있다.

고출력 레이저 전파 특성

흡수 및 산란

레이저는 대기 공간을 통과하며 빔의 광자가 공기 중의 기체 분자와 충돌하면서 흡수가 일어난다. 또한 이와 동시에 빔의 산란이 발생하며 그 정도는 기체의 종류와 밀도에 따라 변화하고 광원의 파장과 입자 크기에 따라서도 달라지는 특성을 보인다. 이를 통해 기존 에너지와 비교했을 때 거리에 따른 전력 손실이 발생하게 된다. 특히 이러한 전력 손실은 대기의 상태(비, 안개, 흐린 정도)에 따라 커져서 목표물에서의 전력이 기존 전력 대비 수십 분의 일까지 낮아질 수 있다.

대기 난류

흡수 및 산란 손실 외에도 비록 눈으로 보았을 때 맑은 날이라 해도 대기는 평소에도 구간, 지역별로 미세한 온도변화로 인해 난류가 존재한다. 난류는 빔의 전파 경로상에 존재하는 공기 덩어리들이 온도 및 압력이 비균질적인 특성으로 인해 각기 다른 굴절률을 가지며 시간에 따라 지속해서 변화하는 것을 의미한다. 이러한 날에는 흡수 및 산란에 의한 손실은 낮아도 빔의 확산과 원더링, 신틸레이션 등을 유발하여 전파되는 빔의 에너지가 열화된다. 여기서 원더링이란 빔의 지름과 공기 덩어리의 크기에 따라 빔의 전파 경로가 바뀌어 목표물에서의 빔의 입자들을 수십에서 수백 미터가량 이동시키는 현상이며, 신틸레이션은 빔의 세기가 처음 조사될 때는 균질하나 점차 그 분포가 공간적으로 불균일하게 변화되는 현상이다. 이러한 대기 난류의 효과는 레이저무기가 지상에서 공중(우주공간)을 향할 경우와 공중(우주공간)에서 지상을 향할 때 다르게 나타나며 지상에서 공중을 향하면 원더링의 영향이 우세하며 반대의 경우에는 빔의 지름이 공기 덩어리보다 크기 때문에 신틸레이션 현상이 우세하게 나타나는 것으로 알려져 있다.

[그림 3] 흡수 및 산란, 대기 난류에 의한 손실 개념도

열적개화

앞서 설명한 흡수 및 산란, 대기 난류에 의한 손실은 대개 선형효과라고 정의되며 레이저 출력이 낮더라도 발생하는 현상이다. 하지만 고출력 레이저무기의 출력은 일반적으로 사용되는 레이저의 출력보다 훨씬 큰 kW급 출력이 기본이다. 이런 조건에서 발생하게 되는 비선형 효과로 열적개화 현상이 있다. 이는 고출력 빔이 대기를 통해 전파될 때, 에너지 일부분이 공기 중의 특정 분자와 입자상 물질에 흡수되고 이렇게 흡수된 에너지가 주변 공기를 가열하여 주변 공기를 팽창시키며 전파 경로를 따라 일종의 열 렌즈를 형성시킨다. 열 렌즈 효과로 인해 조사된 빔을 공간적으로 퍼뜨리며 전파 방향을 왜곡하여 목표물에서 빔의 형태가 크게 왜곡되어 조준한 점으로 빔이 조사되지 않는 것을 초래한다.

셀프포커싱

셀프포커싱 또한 열적개화와 같은 비선형 현상으로서 일정 출력 이상의 고출력 빔이 전파되며 굴절률이 증가한 전파 매질은 열적개화 현상과 다르게 일부 구간에서는 빔을 모으는 초점 렌즈 역할을 하게 된다. 이러한 현상은 빔의 전파 구간에서 굴절률이 낮아지는 현상이 발현되기 이전까지 지속되며 이로 인한 빔은 점차 한 점으로 모이는 현상을 겪게 된다. 하지만 이 현상은 물론 파장별로도 발현 되는 빔의 출력의 크기가 다르지만 대부분 기가와트급 이상의 출력에 대해서 발현하는 현상으로 알려져 있다.

그 외의 현상

셀프포커싱이 발현된 상태에서 레이저 빔은 전파 공간상의 대기 입자에 높은 에너지를 전달하게 되는데 이는 매질의 플라즈마 상태를 불러온다. 플라즈마 상태에서는, 굴절률을 낮추는 현상으로 인해 빔이 다시 퍼지게 되는 셀프 디포 커싱 현상이 발생한다. 이러한 플라즈마 상태가 그 세기와 정도가 셀프포커싱과 균형을 이루는 경우, 필라멘테이션이 형성된다. 필라멘테이션이 형성된 상태에서 레이저 빔은 통상적으로 알려진 회절 한계 거리를 초과하여 전파 가능하고 이 경우 전파 매질의 외란 현상을 받지 않으면서 레이저 출력을 수백 미터에서 수 킬로미터에 이르는 거리로 온전하게 전달할 수 있게 된다. 이러한 현상 역시 셀프 포커싱이 발현되는 출력 이상의 경우 발생하는 경우로 GW급 이상의 출력에서 발생하는 현상임을 알 수 있다.

고출력 레이저 전파 모델링

이처럼 고출력 레이저무기의 경우 출력이 kW급 이상으로 크기 때문에 선형효과를 포함한 비선형 효과가 동시다발 적으로 발생하게 된다. 하지만 레이저무기가 목표물에 대해 그 효과를 발휘하기 위해선 일정 범위에 일정량 이상의 에너지가 집약되어야 하며 광학적 효과들의 발현으로 인해 우리가 이상적으로 생각하는 양보다 훨씬 적은 양의 에너지가 조준한 목표물의 조준원 안에 도달하고 심지어 목표한 조준원을 벗어난 곳에 에너지 대부분이 위치하는 조준 오차 현상도 발생하게 된다. 이러한 현상들은 실제 해당 세기의 레이저 출력을 바탕으로 실험해보지 않는 이상 정확한 형태를 파악하기 힘들며 그러한 점이 레이저무기 개발에 있어서 큰 장애물이다. 이러한 악조건에서 가장 효율적이고 신속하게 레이저무기의 성능과 조준 오차 등을 계산하여 결과를 예측할 수 있는 수단이 바로 고출력 레이저 전파 모델링을 통한 시뮬레이션이며 레이저무기 개발과 동시에 광학 효과들을 정확하게 모델링한다면 다양한 광학적 효과에 따른 보상해야 할 왜곡의 정도를 사전에 판단하고 레이저무기 성능 개선에 필요한 기술을 함께 개발 하여 시행착오를 줄일 수 있게 된다. 미국 또한 이러한 점을 중요하다고 판단하여 이론적 접근과 현상에 대한 분석을 실험과 함께 진행해왔다. 그리고 앞서 살펴보았듯 대부분의 레이저무기가 속하는 kW급에서 MW급까지의 레이저 출력에서 주요하게 영향을 미치는 효과는 난류와 열적 개화 현상임을 알 수 있다.

[그림 4] 레이저 출력에 따른 발현되는 광학적 현상

이러한 현상들을 효과적으로 모델링하고 시뮬레이션하기 위해서는 대기 채널에서 난류와 열적개화 효과를 반영해야 하는데 이때 주로 사용되는 방법이 각 광학 현상을 가지는 위상판을 생성하여 현상을 모사하고 레이저 빔의 전파는 split-step 방법으로 구현하는 방법이다.

[그림 5] split-step 및 위상판 생성을 통한 시뮬레이션 구현 개념도

위상판 생성 방법

난류와 열적개화로 인한 현상을 split-step 방법으로 모델링하기 위해서는 kW급 레이저무기에 주요하게 나타나는 효과인 난류와 열적개화 효과를 가지는 위상판 생성이 우선시된다. 위상판은 일정 구간의 난류와 열적개화에 의한 빔의 왜곡 효과를 하나의 판에 압축해 놓은 것이다. 특히 대기 난류를 모사할 때 해당 판의 내부 표본 분포는 일종의 확률적 분포로 설명되며 대기 굴절률 변화의 공간 전력 스펙트럼을 바탕으로 표본화할 수 있다. 대기 난류를 쉽게 설명하면 다음과 같다. 레이놀즈수가 임계점을 넘은 정도의 풍속이 대기에 존재하면 대기 안에는 불안정한 공기 덩어리가 형성된다. 이렇게 형성된 공기 덩어리들은 관성으로 인해 여러 규모로 나눠지며 대기 안의 에너지를 손실 없이 전달한다. 이러한 에너지 전달 과정은 외부 규모와 내부 규모 크기의 공기 덩어리로 정의되며 여기서 외부 규모보다 작은 크기의 공기 덩어리는 통계적으로 균질하며 등방성이라는 특성을 가진다. 반면 외부 규모보다 작은 크기의 공기 덩어리는 통계적으로 균질하지 않고 이방성을 가지게 된다. 각 공기 덩어리들은 각기 다른 온도와 압력을 가지며 이는 각 덩어리의 굴절률이 다름을 의미한다. 이렇게 존재하는 공기 덩어리로 인한 대기의 굴절률의 공간 및 시간적 움직임을 난류라고 일컫는다. 콜모고로프 난류이론에 따르면 굴절률 변화의 공간 전력스펙트럼은 외부 규모와 내부 규모에 의하여 다음과 같이 정의된다. 

[식 1] 콜모고로프 공간 전력스펙트럼

해당 식에서 L0는 외부 규모, l0는 내부 규모를 의미하며, k는 스칼라 공간 파수이며, C2n는 굴절률 구조상수로 대기 난류의 굴절률 요동의 세기를 나타내는 척도이다. 해당 스펙트럼을 따르는 굴절률의 공간적 요동은 확률적 파동 방정식으로 풀이할 수 있으며 이로써 대기 난류의 불균일한 확률적 분포를 가지는 난류 위상판 생성이 가능하다. 또한 해당 공간 전력스펙트럼 특성을 활용한 위상판 생성 방법은 크게 FFT 방법, 저조파 방법, 공분산 행렬 방법이 있으며 각 방법의 장단점은 비교적 잘 분석돼 있다. 여러 방법 중 가장 간단하고 널리 사용되는 방법은 FFT 방법이다.

다음으로 열적개화 위상판은 열역학 법칙에 의한 빔의 내부 에너지 굴절률 변화를 통해 다음 에너지 균형 방정식으로 풀 수가 있다.

[식 2] 에너지 균형 방정식

해당 식에서 n은 대기의 굴절률이며, t는 시간, z는 전파 거리, v는 거리에 따른 횡 풍속 벡터를 의미하며, u는 거리에 따른 흡수 파라미터이고 I는 레이저 빔의 복사조도를 의미한다. 전파 거리에 따른 고출력 레이저 에너지 흐름의 변화 속도는 통상 마하 속도보다 대단히 작아서 비압축성 흐름으로 가정이 가능하며, 고출력 레이저의 에너지는 열을 흡수하는 현상이므로 열역학 제1법칙, 에너지 보존 법칙에 따라 설명할 수 있다. 원래 에너지 보존 법칙에서 총에너지의 양은 운동에너지와 내부 에너지로 구분할 수 있으나 레이저무기는 에너지 무기로서 운동에너지는 고려하지 않으며 에너지 보존 법칙의 각 항을 굴절률에 대한 식으로 변형 시 해당 식을 산출할 수 있다. 해당 식의 물리적인 의미는 흡수된 복사조도로 인해 가열되는 대기의 에너지가 대기의 횡 방향으로 불어오는 대기 이류로 인해 냉각 현상으로 손실되는 에너지와 균형을 이룬다는 것이다. 이를 통해 구해지는 열적개화 위상판은 앞서 소개된 방법으로 구해진 난류 위상판과 함께 목표물까지의 빔의 전파 경로에 나열된다.

split-step 방법

split-step 방법은 파동 방정식을 직접 풀기 어려운 매질에서 전파되는 빔을 분석하기 위해 많이 사용되는 방법이다. 최초 빔이 조사되는 시작부터 목표물까지의 전파 거리를 n개의 구간으로 나눈다. 그리고 분할된 구간별 중심에 생성한 위상판을 위치시킨다. 위상판 사이의 구간은 자유 공간 전파를 가정하여 고속 푸리에 변환을 통해 빛의 회절 효과를 반영한다. 각 구간의 중심에 도달한 빛의 위상에 위상판 효과가 더해지고 이를 통해 각 구간에서 대기 난류 및 열적 개화 위상 왜곡 효과가 전파되는 빔에 반영된다.

광학 현상 모델링 결과

앞에서 소개한 방법을 통해 모델링한 것을 바탕으로 시뮬레이션을 구현하면 난류 효과만을 적용한 경우와 열적개화 효과만을 적용한 경우, 그리고 두 효과를 모두 고려한 경우에 관한 결과 도출이 가능하다.

[그림 6] 고출력 레이저 시뮬레이션 구현 결과

제시된 결과 [그림 6]에 따라 아무런 왜곡 없이 목표물에 이상적으로 나타나야 할 빔의 형태와 다르게 난류만 고려된 경우에서는 신틸레이션과 빔원더링에 의해 빔이 전반적으로 퍼진 것이 확인되며, 열적개화만 고려된 경우에는 빔의 방향이 왜곡되어 에너지 대부분이 한 방향으로 모여진 모습을 확인할 수 있다. 마지막으로 두 효과가 함께 고려된 경우에는 빔의 방향이 왜곡된 가운데 빔의 퍼짐과 신틸레이션 현상도 부가 되어 전체적인 빔의 형태가 첫 번째와 두 번째 경우보다 크게 산란된 형태를 확인할 수 있다. 각 경우 목표물까지의 거리는 5km이며 난류의 경우 C2n값 10-15m-2/3, 레이저 출력은 50kW로 시뮬레이션을 구현했다. 다시 한 번 시뮬레이션의 장점을 이야기하자면 계산에 요구되는 목표물의 거리, 난류의 세기, 열적개화의 세기 등 필요한 값들을 다르게 설정하면 그에 따른 빔의 변화 형태도 얼마든지 확인이 가능하다는 것이다.

왜곡 현상 극복 방안

고출력 레이저 전파 간 발생하는 광학 현상에 의한 빔의 왜곡 현상을 극복하는 분야로서 적응 광학 분야가 있으며 적응 광학은 빠르게 변화하는 광학적 왜곡 영향을 줄여 광학 장치 성능을 향상시키는 기술이다. 미국은 이미 국방 분야 에서 활용하기 위해 적응 광학 기술에 대한 연구를 지속적으로 수행하고 있으며, 해당 기술을 통해 왜곡의 영향을 최소화하여 목표물에 레이저 출력을 정확하게 전달할 수 있는 고도로 발전된 기술을 보유하고 있다. 이러한 기술은 현재 전력화되고 있는 고출력 레이저무기에 적용되고 있다.

국내에서도 국방 분야에서 수행된 ‘고에너지 레이저 광 전송 장치’와 ‘고에너지 고체레이저 발진기’ 과제 수행에서 파면 보정용 변형 거울과 파면 측정용 센서를 바탕으로 한 적응 광학 장치를 연구·개발한 바 있다. 하지만 적응 광학을 위해서는 밝은 광원을 제공하는 고출력 레이저가 요구되며, 광학효과로 위상 변화된 광 파면을 측정하기 위한 파면 측정기, 왜곡된 위상을 변화시키는 파면 보정기, 실시간 신호처리를 통해 파면의 변화를 측정하고 보정신호를 연상 및 구동하는 제어장치 등 다양한 첨단과학이 요구되며 앞으로 해결해 나가야 할 주요한 분야에 해당한다.

고출력 레이저무기 개발의 방향

오늘날 우리나라는 첨단화된 국방 분야 연구개발을 지속 추진하고 있다. 미래 전장에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 기술 분야로는 국방과학기술혁신 기본계획의 10대 분야인 ‘인공지능, 유무인 복합, 양자, 첨단소재, 우주, 사이버·네트워크, 추진, 에너지, 센서·전자전, WMD 대응’이 있다. 이러한 기술들은 국방 분야에서 세계적인 동향에 따라 반드시 요구되는 국방 기술임이 분명하다. 그러나 우리 군은 해당 기술 발전을 추구하는 과정에서 적도 우리와 마찬가지로 첨단기술에 관심을 가지며 빠른 속도로 발전하고 있음을 간과해서는 안 된다. 특히 북한은 연이은 핵실험, 군사 정찰 위성 개발, ICBM 개발 등의 도발로 우리나라의 국가안보를 위협하는데, 이를 통해 우리가 예상 하는 것보다 빠르게 첨단과학 분야의 발전을 추구하고 있다는 사실을 알 수 있다. 이러한 위협 상황 속 미래 전장에서 적을 압도할 수 있는 강력한 무기체계를 확보하는 것은 필수적이다. 그러나 단기간에 다량의 신무기를 개발·확보하는 데만 집중하면 신무기 획득은 이루어지지만 근본적 기술을 바탕으로 한 고도화된 무기체계를 얻는 데는 한계가 있다. 새로운 무기를 개발하기 위해서는 해당 무기 의 근본적인 이론을 정확히 이해하고 분석하는 것부터 출발해야 한다. 이를 기반으로 지속적인 개발을 통해 더욱 고도화된 성능을 갖춘 무기체계를 확보할 수 있다. 특히, 고출력 레이저무기 개발이 바로 앞서 제시한 특성을 갖는 대표적인 사례라고 할 수 있다. 미국도 약 50년간의 연구를 통해 레이저무기 개발의 근간이 되는 이론과 기술을 확보하고, 이를 바탕으로 2000년대에 들어와서야 실제 무기체계를 개발·전력화하고 있다. 또한 지속적으로 레이저 출력을 높임과 동시에 더욱 정교한 레이저무기를 개발 하고 있다. 레이저무기 개발 사업은 단 하나의 무기를 만들고 끝나는 것이 아니라, 탑재 방식·출력 크기·사용 장소(지상, 공중, 해상, 우주) 등에 따라 새로운 유형의 무기로 발전시킬 수 있다. 하지만 여러 유형에 따라 예상치 못한 다양한 광학적 특성이 발현되기 때문에 더욱더 이론과 현상에 대한 심도있는 분석이 필수적이다. 따라서 다양한 광학 현상에 관한 지속적인 연구와 모델링, 시뮬레이션 및 실험을 통한 검증 과정들이 조화롭게 이루어져야 한다. 이런 과정을 통해 개발되는 레이저 무기체계는 육군뿐만 아니라 공군, 해군, 그리고 나아가 우주공간에서도 활용될 수 있는 미래 다영역전투에 필수적인 무기체계로 발전할 것이다. 또한 이러한 노력이 계속되면 우리나라 역시 미국과 대등한 수준의 우수한 고출력 레이저무기를 보유한 국가로서 세계 군사력 강국으로 자리매김할 수 있을 것이라고 확신한다.

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