[시리즈 연재] 에필로그3: 생체 계측과 과학 및 연구

이번 글을 쓰면서 많은 고민이 들었습니다. 의료쪽 전문가도 아니고 Valley에 또 이 업계에 종사하시는 분들이 많을텐데 쓰는게 맞나 싶었지만 그래도 용기를 내서 써봅니다. 독자 분들의 많은 피드백 부탁드립니다! 에필로그 1편에서는 Coherent가 2021년 당시 레이저 분야에서 훌륭한 기업이었고 3개의 기업(MKS, II-VI, Lumentum)이 Coherent 인수전에 참여했다는 말씀을 드렸습니다. 오늘은 이어서 레이저 분야가 산업에 어떻게 활용되었는지 소개해 드리려고 합니다! <2021 Coherent 10-K> 위의 Coherent 2021년 10-K자료를 보시면 굉장히 다양한 분야에서 레이저 기술이 사용되고 있다는 것을 확인할 수 있습니다. 에필로그의 목표는 여기 적혀 있는 분야에 대해 모두 다루는 것입니다! 한 편에 다 담지 않고 나누어서 담아 이번 시리즈 에필로그를 잘 마무리 해보겠습니다. 에필로그 2편에서는 의료치료를 먼저 다루겠습니다. 당사는 안과, 미용, 외과, 치료 및 치과 등 임상 분야에 사용되는 다양한 부품과 레이저를 의료용 레이저 회사에 판매합니다. 당사의 DIAMOND 시리즈 CO₂ 레이저 는 치과, 미용 및 외과 시장에서 널리 사용되고 있습니다. ExciStar XS 엑시머 레이저 플랫폼을 통해 라식 및 광굴절 각막절제술 분야에서 선도적인 위치를 차지하고 있습니다. 또한 백내장 수술용 초고속 레이저와 수술용 광섬유도 제공합니다. (중략) 의료 치료 시장에서 당사는 다양한 임상 분야의 의료 시스템 제조업체에 OEM 레이저를 공급하고 있습니다. 이 분야는 안정적인 사업 기반과 여러 성장 기회를 제공합니다. 당사는 굴절 교정 수술에 사용되는 엑시머 레이저를 공급하며, 레이저 시력 교정 기술의 발전에 적극적으로 참여하고 있습니다. 또한, 치과 시술 분야에서도 환자의 편안함과 치료 결과를 크게 향상시키는 경조직 및 연조직 치료에 레이저를 활용할 수 있는 기회를 모색하고 있습니다. 망막 치료 분야에서는 혈관 치료에 특히 적합한 파장을 가진 당사의 Genesis OPSL 황색 레이저를 기반으로 한 광응고술이 사용되고 있습니다. 당사는 최신 미용 시술에 사용되는 주요 장비 제조업체에 CO₂ 및 반도체 레이저를 OEM 공급하고 있습니다. - 2021 Coherent 10-K 레이저를 여러 방법으로 분류할 수 있겠지만 오늘 다룰 '의료치료'라는 관점에서 크게 두 가지로 보겠습니다. 파장이 어떻게 되는가? 펄스폭이 어떻게 되는가? 파장으로 나누는 이유 중 하나는 생체 조직마다 물질 구성이 다르고 따라서 ...

에필로그에서는 다룬 내용을 바탕으로 레이저가 어떤 현대 과학과 기술 그리고 산업과 연결되어 있는지 살펴볼 예정입니다. - 프롤로그 총 7편에 걸쳐 다소 지루한 이야기를 해왔다면, 이제는 한 발 물러나 투자자 입장에서 도움이 될 만한 내용을 에필로그로 써보려 합니다. 그전에 먼저, 지난 7편에서 어떤 이야기를 했는지 간단히 정리하겠습니다. 1-1편: 화학 및 화학반응에 대한 기본적인 내용과 1901년 노벨 화학상 중 화학 동역학 법칙에 대해 다루었습니다. 1-2편: 화학반응 속도 측정에 빛이 필요한 이유를 설명드리기 위해 반응속도와 충돌에 대해 설명 드렸습니다. 1-3편: 평형으로 도달하는 속도가 아니라 평형을 아주 빠르게 순간적으로 교란시킨 후 반응 속도를 관측한 1967년 노벨 화학상, 만프레트 아이겐의 업적을 소개해 드렸습니다. 1-4편: 빛 이야기를 하기 위해 간단한 양자역학에 대해 살펴봤습니다. 1-5편: 빛으로 반응을 시작하고 측정하는 1967년 노벨 화학상 노리시, 조지 포터의 업적을 소개해 드렸습니다. 2편: 더 빠른 반응속도를 측정하기 위해서는 아주 짧은 시간의 빛이 필요했고 이를 위해 레이저가 필수적입니다. 2편에서는 그 레이저의 핵심 아이디어에 영향을 미친 광펌핑에 대해 다뤘습니다 (1966년 노벨물리학상). 2.5-1편: 양자역학적 내용을 보충하기 위해 '양자호텔' 비유에 대 부연하는 내용입니다. 2.5-2편: 2편 내용을 조금 더 쉽고 자세하게 설명했습니다. 3편: 레이저 원리에 대해 살펴봤습니다 (1964년 노벨물리학상). 4편: 레이저를 이용한 분광학 발전 특히, 비선형 광학에 대한 내용을 다루었습니다 (1981년 노벨 물리학상). 5-1편: 펨토초 레이저 이전에 나노초 레이저에 사용되는 Q-switch 방식에 대해 살펴봤습니다. 5-2편: 펨토초 레이저 펄스를 발생시키는 원리인 mode-locking 방식에 대해 설명드렸습니다. 5-3편: 펨토초 분광학을 이용해 펨토초 단위의 화학반응을 관측한 내용에 대해 소개해드렸습니다 (1999년 노벨 화학상). 6편: 펨토초 펄스를 증폭시키는 방법(CPA) 에 대해 살펴봤습니다 (2018년 노벨 물리학상). 7편: 아토초 펄스를 생성하는 원리에 대해 살펴봤습니다 (2023년 노벨 물리학상). 이번 에필로그 1편에서 저는 썸네일에서도 보셨겠지만 Coherent를 다루려고 합니다. <SEC> 기업을 살펴보려면 10-K는 매우 좋은 자료입니다. 그런데 검색해보면 2022년까지는 II-VI라는 회사가 나옵니다. <Coherent> II-VI가 Coherent를 인수했지만 사명을 피인수기업인 Coherent로 바꾼 것이죠. 그럼 인수되기 직전의 'Coherent'의 10-K를 살펴볼까요? 최근 사건들 합병 계약 및 해지 수수료 2021년 1월 18일, 당사는 Lumentum Holdings Inc.("Lumentum"), Cheetah Acquisition Sub, Inc.("Lumentum Merger Sub I") 및 Cheetah Acquisition Sub LLC("Lumentum Merger Sub II")와 합병 계약 및 계획을 체결했으며, 이에 따라 당사는 Coherent 주식 1주당 현금 100달러와 Lumentum 보통주 1.1851주로 인수되는 데 동의했습니다. MKS Instruments, Inc. 및 II-VI Incorporated("II-VI")로부터 접수된 비공식 제안을 고려하여, 당사는 2021년 3월 9일 Lumentum, Lumentum Merger Sub I 및 Lumentum Merger Sub II와 수정 및 재정된 합병 계약 및 계획("수정된 Lumentum 계약")을 체결하였으며, 이에 따라 당사는 Coherent 주당 현금 175.00달러와 Coherent 주당 Lumentum 보통주 1.0109주로 인수되는 데 동의했습니다. 2021년 3월 25일, 당사는 수정된 루멘텀 계약을 해지하고 II-VI 및 왓슨...

점점 더 짧은 펄스를 추구함에 따라 연구자들은 100경 분의 1초를 의미하는 아토초(attosecond) 수준에 더 다가갈 수 있게 되었습니다. 이는 원자와 분자 내 전자의 움직임을 연구할 수 있는 길을 열어줍니다.-Nobel Prize in Physics 2018 Award Ceremony Speech '찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기'의 마지막은 찰나 중의 찰나인 아토초 펄스 이야기입니다. 6편에서 다룬 2018년 노벨 물리학상 Award Ceremony 연설에 언급된 아토초 펄스는 "물질 내 전자 역학 연구를 위해 아토초 빛 펄스를 생성하는 실험적 방법"을 공로로 인정받아 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 안 륄리에에게 2023년 노벨 물리학상이 수여됐습니다. <노벨상 공식 홈페이지> 심장 박동 한 번은 100경(1,000,000,000,000,000,000) 아토초 동안 지속됩니다. 이는 우주가 탄생한 이후 지금까지 흘러간 시간(초)과 같은 숫자입니다. 아토초는 전자의 세계, 즉 우리가 이제 탐구할 수 있게 된 세계의 시간 척도입니다. 1925년, 베르너 하이젠베르크(Werner Heisenberg)는 이 세계를 볼 수 없다고 주장했지만, 아토초 빛 펄스 덕분에 이는 바뀌기 시작했습니다. 가장 큰 과제는 극도로 짧은 시간 척도였습니다. 이 장벽을 극복하는 데는 수십 년이 걸렸습니다. 아토초 과학을 통해 우리는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 1921년 노벨 물리학상을 받게 한 광전 효과의 시간 척도와 같은 근본적인 질문들을 다룰 수 있게 되었습니다. -Nobel Prize in Physics 2023 Award Ceremony Speech 펨토초 레벨까지 인류는 다가섰지만 그보다 더 빠른 펄스를 만드는 것은 근본적으로 불가능해 보였습니다. 왜냐하면 빛은 결국 전자기파, 파동이며 한 주기의 길이(=파장)보다 더 짧은 펄스를 만드는 것은 이론적으로 성립하지 않기 때문입니다. 예를 들어, 저번 시간에 살펴본 800 nm 파장의 레이저는 빛의 속도로 진행하기 때문에 '진동수'가 정해져 있습니다. 800 nm 빛이 한 번 진동하는데 걸리는 시간은 2.67 fs (펨토초) 입니다. 이보다 더 짧은 빛을 만드려면 애초에 이보다 훨씬 짧은 파장이 필요한 셈이지요. 800 nm 파장의 10분의 1, 80 nm (극자외선, EUV) 수준의 영역은 되어야 267 as (아토초) 영역으로 갈 수 있습니다. 이런 극자외선을 만드는 것만 해도 엄청난 기술이 필요한데 이를 펄스 형태로 아토초 레벨까지 가는 것은 또 다른 기술이 필요한 셈입니다. 아주 자세히 설명드리자면 조금 복잡하지만 기술의 토대는 4편에서 언급한 '비선형 광학'의 연장선에 있다고 보시면 됩니다. 800 nm 빛을 비선형 결정에 강한 세기로 통과시키면 400 nm 빛이 탄생할 수 있다고 말씀드렸습니다. 이 효과의 수식에는...

오늘 다룰 노벨상은 꽤 최근인 2018년 노벨 물리학상입니다. 2018년 노벨 물리학상은 "레이저 물리학 분야의 획기적인 발명"에 수여되었으며, 절반은 "광학 집게와 그 생물학적 시스템에 대한 응용"을 공로로 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)에게, 나머지 절반은 "고강도 초단광 펄스 생성 방법"을 공로로 제라르 무루(Gérard Mourou)와 도나 스트릭랜드(Donna Strickland)에게 공동 수여되었습니다. (에슈킨의 광학 집게 (Optical tweezers)도 굉장히 재밌는 내용이지만 시리즈의 일관성을 위해 다음 기회로 미루도록 하겠습니다.) <노벨상 공식 홈페이지> 6편에서는 5-2편에서 다룬 펨토초 펄스를 어떻게 '증폭'시켰는지 알아보려고 합니다. 사실 레이저 출력을 증폭시키는 것은 레이저가 발명된 이후 계속 이어져 왔지만 펨토초 레벨로 오면서 다른 문제가 생겼습니다. 제라르 무루와 도나 스트릭랜드는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification, CPA)이라는 발명으로 상을 받습니다. 이는 매우 강렬하고 짧은 펄스의 레이저 빛을 생성하는 방법입니다. 1960년 최초의 레이저가 만들어진 이후 더 강렬한 레이저 펄스를 만들기 위한 노력이 진행되어 왔습니다. 그러나 1980년대 중반에 이르러 레이저 빛의 강도가 증폭 물질 자체를 파괴했기 때문에 이러한 실험은 교착 상태에 빠졌습니다. - Nobel Prize in Physics 2018 Award Ceremony Speech 핵심 문제는 레이저를 증폭시키기 위한 '물질'이 있는데 펨토초 레이저 펄스를 증폭시키다 보면 그 물질이 파괴되는 것이었습니다. 이 문제가 먼저 왜 생겼는지 클로드의 시각화 도움을 받아 확인해보시죠. 펄스의 폭이 2초짜리입니다. 저 면적은 '에너지'이고 고정된 값입니다. 펄스의 피크 파워는 약 500 마이크로 와트(0.5 mW)로 굉장히 작습니다. 펄스 폭이 좁아지면 어떻게 될까요? 펄스 폭을 약 0.1초로 20분의 1로 줄였습니다. 그러자 peak power는 0.5 mW에서 9.4 mW로 매우 커진 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 그래프 아래 면적에 해당하는 에너지는 1 mJ로 그대로입니다. 5-1편에서 살펴봤던 나노초 스케일로 가볼까요? 더 두꺼워져 보이지만 x축의 단위가 s(초)에서 ns (나노초)로 바뀌었기 때문입니다. 아마 이걸 초 단위의 x축으로 보면 x축에 수직한 하나의 선처럼 보였을 것입니다. 여전히 면적은 1 mJ로 동일한데 peak power를 한 번 보시죠. 무려 500 kW로 엄청 강해졌습니다. 그럼 이걸 ...

드디어 1999년 노벨 화학상 "펨토초 분광학을 이용한 화학 반응의 전이 상태 연구"를 다루겠습니다. <노벨상 공식 홈페이지> 오프닝 멘트는 노벨상 시상식 연로 대신하겠습니다. 우리 화학자들은 분자와 그 내재적 본질을 이해하고 싶어 하며, 분자들이 만났을 때 어떤 일이 일어날지 예측하고 싶어 합니다. 약하게 결합할까요, 아니면 격렬하게 반응하여 새로운 분자를 형성할까요? 무엇보다도 우리는 생명이라 불리는 복잡한 화학을 이해하고자 합니다. 지식의 혁명을 통해 오늘날 분자는 생물학과 의학부터 환경 과학, 기술에 이르기까지 모든 분야의 중심에 섰습니다. 화학의 핵심은 화학 반응, 즉 원자 간의 화학 결합이 끊어지고 형성되는 과정입니다. 그렇다면 화학 반응은 어떻게 일어날까요? 우리는 반응이 서로 다른 속도로 진행될 수 있다는 것을 압니다. 못이 녹스는 데 걸리는 시간과 다이너마이트 폭발을 비교해 보십시오! 알프레드 노벨은 반응 속도의 중요성을 알고 있었습니다. 다이너마이트가 너무 빨리 반응하면 대포에 쓸 수 없고 터져버릴 것이기 때문입니다. 그는 온도가 높을수록 화학 반응이 더 빠르게 진행된다는 것도 알았지만, 그 이유는 알지 못했습니다. 그러나 이는 웁살라의 물리화학 강사(docent) 스반테 아레니우스에 의해 밝혀졌습니다. 네덜란드 과학자 야코부스 반트 호프(1901년 제1회 노벨 화학상 수상자)에게 영감을 받은 아레니우스는 반응 속도에 대한 최초의 이론과, 100년이 넘게 사용되고 있는 온도 의존성 방정식을 제시했습니다. 아레니우스 자신도 다른 업적으로 세 번째 노벨 화학상(1903년)을 받았습니다. - Nobel Prize in Chemistry 1999 Award Ceremony Speech 제가 1-1편에서 말씀드렸던 내용과도 연결됩니다. 기본적으로 화학(Chemistry, 化學)은 한자에서 알 수 있다시피 ‘변화’를 공부하는 학문입니다. 영어로 Chemistry인데 연금술(alchemy)에서 유래했다고 알려져 있습니다. 연금술도 값싼 물질들로 ‘금’을 만드는 기술이라는 관점에서 결국 변화를 위한 기술로 이해할 수 있습니다. 그러면 필연적으로 물질에 대한 정확한 이해가 요구됩니다. 예를 들어, 누가 연금술로 금을 만들었다고 주장하려면 ‘금’의 특성이 무엇인지 그리고 그 특성을 확인하는 방법이 무엇인지 모르면 이게 금인지 은인지 알 수 없습니다. 소위 이게 짭인지 찐인지 알 수 있어야 합니다. 그래서 물질의 특성을 파악하는 것은 화학의 중요한 주제입니다. 즉, 화학은 변화를 공부하는 학문이고, 이를 위해서는 변화하기 전과 후의 물질의 특성을 이해하고 파악할 수 있어야 합니다. 위에서 보시다시피 화학반응이라는 단어를 들으시면 서로 다른 물질을 섞었을 때 새로운 물질이 생기는 모습을 떠올리실 수 있을 겁니다. 물질이 어떤 조건에서 다른 물질로 변하거나 혹은 다른 물질과 섞어서 새로운 물질로 변하면 그것이 바로 화학 반응입니다. 쉽게 접할 수 있는 화학반응 중 하나는 사과의 갈변현상입니다. 깎아 둔 사과가 공기 중에 산소와 ‘화학반응’하여 색깔이 변한 것이죠. 이 반응은 눈에서 200 펨토초만에 일어나는 반응과 비교했을 때, 매우 느리다는 것을 쉽게 받아들이실 수 있을 것입니다. 사과를 깎자마자 바로 갈변하진 않으니깐요! 더 느린 화학반응은 녹이 스는 것을 예시로 들 수 있겠습니다. 이처럼 화학반응은 반응 종류에 따라 각각 다른 속도를 가집니다.- 시리즈 1-1편 그렇게 화학자들은 나노초 수준까지 반응속도를 관측 했었고 이를 다룬 것이 바로 시리즈 1편의 스토리였습니다. 하지만 당시에는 빠른 펄스 레이저 기술이 없었고 그것이 더 빠른 반응속도를 관측하는데 병목중 하나였습니다. 그 병목을 해소한 펨토초 레이저가 어떤 배경에서 등장했는지 설명하기 위해, 저는 앞선 글에서 광펌핑·레이저 기술·분광학 기술을 노벨상과 연결해 소개했습니다. 그러면 즈웨일은 얼마나 빠른 수준으로 무엇을 어떻게 측정했기에 노벨상을 ...