미국의 한 고체 레이저 개발 사업은 2009년에 주된 목표를 이뤘습니다. 목표는 빛의 결맞음과 출력을 보이는 것이었고, 그것을 해냈습니다. 그런데 손에 남은 것은 무기 체계가 마주치는 어려운 조건에 맞지 않는 실험실 장치였습니다.
2014년의 미 육군 기사는 이 사업이 마주친 어려움 하나를 짧게 적습니다. 레이저가 육군 무기 체계에 쓸 만큼 튼튼하지 않았다는 것입니다. 출력이 아무리 좋아도 바깥에서 버티지 못하면 무기가 되지 못합니다.
그럼 레이저 장비는 바깥에서 무엇을 견뎌야 할까요? 더위와 추위, 비와 습기, 먼지, 그리고 바다의 소금입니다. 넷이 광학 부품과 장비에 어떤 일을 하는지 차례로 보고, 그것을 미리 확인하는 환경 시험이 무엇인지 살펴봅니다.
실험실과 야외는 무엇이 다른가
조용한 실험실 안에서도 레이저는 주변의 영향을 받습니다. 초고속 레이저 교과서에 실린 한 측정 예에서, 모드 잠금 Ti:사파이어 레이저의 타이밍 지터(timing jitter)는 받침대의 진동이나 공기의 흐름 같은 주변 교란 때문에 낮은 주파수 쪽에서 더 커졌습니다. 타이밍 지터는 펄스가 도착하는 시각이 조금씩 흔들리는 정도를 말합니다.
실험실 장치를 쓸모 있는 장비로 바꾸는 일은 산업에서도 쉽지 않았습니다. 1992년에 반도체 포화 흡수체 거울(SESAM)이 발명되면서, 초고속 레이저는 복잡한 실험실 장치에서 산업 현장의 믿을 만한 턴키(turnkey) 시스템으로 옮겨 갈 수 있었습니다. SESAM은 이름 그대로 반도체로 만든 포화 흡수체 거울이고, 포화 흡수체가 무엇인지는 「Q-스위칭과 모드 잠금」에 있습니다.
무기는 그보다 거친 곳으로 갑니다. 군의 무기 체계는 사막, 극지, 열대, 바다 같은 세계 여러 곳에서 저장되고, 운반되고, 운용되어야 합니다. 쓰는 동안만이 아니라 창고에 있을 때와 옮기는 동안에도 환경을 견뎌야 한다는 뜻입니다.
앞의 고체 레이저도 그 길을 일부 걸었습니다. 이 레이저는 손을 본 뒤 뉴멕시코주의 화이트샌즈 미사일 시험장으로 옮겨졌습니다. 관계자들은 실험실용으로 설계한 레이저를 사막의 비교적 외딴 자리에 두는 것이 과제였다고 말했습니다.
RELI(Robust Electric Laser Initiative)라는 사업이 이 문제를 다뤘습니다. 이 사업의 결과물은 여러 군이 쓸 고에너지 레이저(high-energy laser, HEL) 무기로 키울 수 있도록 크기와 무게, 튼튼함(ruggedness)을 갖춘 기술이어야 했습니다. 튼튼함이 출력과 나란히 목표에 올라간 것입니다.
더위와 추위
고장을 부르는 환경을 꼽을 때 온도는 빠지지 않습니다. 미사일 체계를 시험하는 미 육군 레드스톤 시험 센터는 2014년 기사에서 온도, 진동, 습도를 장비 고장으로 이어지는 으뜸 세 환경으로 들었습니다. 충분히 엄격한 시험이 없으면 사람과 임무가 큰 위험에 놓일 수 있다는 경고도 함께였습니다.
온도에 따라 성질이 바뀌는 광학 부품도 있습니다. 정해진 파장(wavelength) 범위의 빛만 통과시키는 대역 통과 간섭 필터(bandpass interference filter)가 그런 예입니다. 온도가 오르면 이 필터의 중심 파장이 긴 쪽으로 옮겨 갑니다.
온도가 몇 도냐보다 얼마나 빨리 바뀌느냐가 문제일 때도 있습니다. 필터를 만드는 회사는 안전하게 쓸 수 있는 온도 범위를 정하지만, 그 범위는 온도가 천천히 바뀐다는 전제 위에 있습니다. 온도가 갑자기 바뀌면 필터 조립체를 이루는 여러 요소의 열팽창 계수가 서로 다를 수 있어서, 부품이 물리적으로 상하거나 분광 성능이 손상될 수 있습니다.
찬 유리컵에 뜨거운 물을 갑자기 부으면 금이 가기도 하는 장면을 떠올리면 비슷합니다. 실제로는 한 덩어리의 유리가 아니라 여러 요소를 겹쳐 만든 조립체이고, 요소마다 늘어나는 정도가 다를 수 있다는 점이 걸립니다.
시험 시설에서도 온도는 늘 찾는 항목입니다. 미 육군의 한 통신 장비 시험 시설에는 오르내리는 가혹한 기후 때문에 고온·저온과 습도 시험 요청이 자주 들어옵니다. 지뢰 방호 차량에 쓸 대역 저지 필터 하나는 환경 자료가 없었고, 담당 엔지니어들은 차 위의 극한 온도에서 이 필터가 제대로 동작할지 확신하지 못했습니다. 체임버에서 시험한 뒤에야 담당 사업 관리자가 장착 여부를 판단할 수 있었습니다.
비와 습기
물기는 광학 코팅(optical coating)에 까다로운 상대입니다. 광학 코팅은 부품 면에 입혀 반사나 투과를 바꾸는 얇은 층이며, 「거울, 렌즈, 코팅」에서 자세히 봤습니다. 무른 코팅(soft coating)에 쓰는 증착 재료는 대부분 물에 닿으면 어느 정도 분해되기 쉽습니다. 그래서 무른 코팅은 습한 환경으로부터 보호해야 합니다.
습기가 스며든 코팅은 눈으로 보아도 달라집니다. 코팅이 변색하면서 반사가 세던 면이 보통 뿌옇게 바뀝니다. 그런데 분광 성능은 겉모습보다 훨씬 느리게 나빠지기 시작합니다.
여러 요소를 접착해 붙인 광학 조립체에서는 접합이 약한 고리입니다. 이런 조립체가 고장 나는 주된 원인은 요소 사이의 접합이 떨어지는 것이고, 그 시작은 습기가 스며든 자리에 생기는 깃털 같은 무늬입니다. 고온에서 되풀이되는 높은 습도는 접합을 망가뜨리는 환경 요인으로 꼽힙니다.
막는 방법도 있습니다. 습한 공기와 코팅 사이에 습기 막이(moisture barrier)를 넣으면 부품 수명이 늘어납니다. 그래도 Newport는 습도에 대한 수명을 보증하지 않고, 정해진 군 규격을 맞추는 것을 보증한다고 밝힙니다. 그 습도 요구를 담은 문서로 드는 것 가운데 하나가 뒤에서 볼 MIL-STD-810입니다.
광학 결정 가운데에는 물기를 머금는 것도 있습니다. 플루오린화칼슘(CaF2)과 플루오린화마그네슘(MgF2)은 약한 흡습성이 있습니다. 보통의 사용 조건에서는 면이 패이지 않을 것으로 보지만, 물에 담그는 용도에는 권하지 않습니다.
먼지와 오염
모래와 먼지는 뒤에서 볼 환경 시험 방법 목록에도 이름이 따로 있습니다. 레이저 무기에서는 고치는 자리가 실마리를 줍니다. 미 의회조사국(CRS)은 지향성 에너지 무기(directed-energy weapon, DEW)가 재래식 무기보다 정비하기 어려울 수 있다고 보고, 미 회계감사원(GAO)의 말을 옮깁니다. 지향성 에너지 무기의 내부 장치는 민감해서 수리에 대개 전용 청정실(clean room)이 필요하다는 것입니다.
빛을 다루는 회사도 오염을 환경 조건의 하나로 다룹니다. 고출력 레이저 부품과 체계를 만드는 FiberBridge는 빔 전달 광학계를 설명하면서, 온도 안정성, 오염 관리, 기계적 튼튼함 같은 환경 조건을 응용에 맞춰 고려한다고 씁니다.
광섬유로 빛을 나르는 장비라면 커넥터 끝도 관리 대상입니다. 광섬유 측정을 다룬 한 참고서는 부록 한 장을 광섬유 커넥터와 그 관리에 쓰고, 그 안에 관리와 세척 절차를 따로 둡니다.
비, 안개, 모래, 먼지, 소금 입자는 장비만 괴롭히지 않습니다. 공기 속에 떠 있는 이런 것들은 레이저 빛을 흡수하고 산란시킵니다. CRS는 레이저가 비나 안개 속에서 잘 작동하지 않거나 아예 작동하지 않을 수 있어 전천후 해법이 되지 못한다고 봅니다. 이것은 장비가 아니라 빛이 지나는 길의 문제라서 「대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍」의 주제입니다.
염분: 바다의 짐
추운 지방에서 쓸 자동차는 겨울 도로의 소금을 견뎌야 합니다. Newport가 광학 필터의 수명을 설명하며 첫머리에 든 예입니다. 바다에서는 길에 뿌린 소금이 아니라 소금물이 장비에 닿는다는 점이 다릅니다.
소금물은 금속에 빨리 손을 댑니다. 일부 금속은 소금물에 몇 시간만 닿아도 부식하기 시작할 수 있어서, 미 육군의 통신 장비 시험 시설에서는 염수 분무 시험이 많이 쓰입니다. 새 전원 케이블을 이 시험에 넣었더니 커넥터의 표면 코팅이 겉보기에 조금 나빠졌습니다. 다만 케이블은 물이 새지 않았고, 시험자들은 커넥터의 기능과 전기 특성에 나쁜 영향이 없다고 판단했습니다.
함정 레이저 사업의 계약 공고에는 바다 환경이 일감으로 적혀 있습니다. 2020년 3월 미 국방부의 계약 공고를 보면, 연안 전투함에 실을 레이저 무기 시제품의 주요 작업에 함정의 움직임과 해양 환경으로부터 장비를 지킬 구조물과 외함(enclosure)을 만드는 일이 들어 있습니다. 외함은 장비를 감싸는 겉 상자입니다.
미 해군의 레이저 사업 목록에는 이름부터 "튼튼하게 만든 고에너지 레이저"인 RHEL(Ruggedized High Energy Laser)도 있었습니다. 공개 보고서에 남은 것은 이 사업이 끝났다는 한 줄입니다.
2014년 미 해군은 시제품인 레이저 무기 체계(LaWS)를 페르시아만의 함정 USS Ponce에 실었습니다. LaWS가 페르시아만의 해군 함정에 배치되어 운용된 것은 이때가 처음이었습니다. 수병들은 여러 달 동안 날마다 이 체계를 다뤘습니다. 미 해군연구청(ONR)은 이들이 센 바람, 더위, 습도 같은 나쁜 날씨에서도 흠 없이 작동했다고 보고했다고 발표했습니다.
수병들은 신뢰성과 정비성 모두 기대를 넘었다고 했습니다. 다만 이것은 시제품 한 대가 한 바다에서 몇 달 동안 보인 결과입니다. 다른 바다, 다른 체계, 더 긴 시간에 그대로 옮겨 말할 수는 없습니다.
환경 시험: 미리 견뎌 보기
이런 환경을 견디는지는 실제로 내보내기 전에 알아야 합니다. 이 글에 나온 미 육군 통신 장비 시험 시설, Newport, FiberBridge가 모두 드는 문서가 MIL-STD-810입니다. 미 국방부 표준 문서 데이터베이스(ASSIST)에 실린 제목은 「환경 공학 고려 사항과 실험실 시험(Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests)」입니다.
이 문서의 범위 설명은 장비가 쓰이는 모든 단계에서 환경 스트레스가 주는 영향을 고려하기 위한 계획과 공학 지침이라는 것입니다. ASSIST에 유효(Active)로 올라 있는 판은 2022년 5월 18일 자 H판 변경 1이고, 준비 기관은 미 육군 시험평가사령부(ATEC)입니다.
눈여겨볼 대목이 있습니다. 이 문서는 설계나 시험 사양을 정하지 않는다고 스스로 밝힙니다. 대신 장비 체계의 성능 요구에 맞춰 현실적인 설계와 시험 방법을 이끌어 내는 맞춤(tailoring) 과정을 설명합니다. 모든 장비가 같은 시험을 받는 것이 아니라, 그 장비가 겪을 환경에 맞춰 시험을 고른다는 뜻입니다.
시험 방법의 이름만 봐도 이 글의 네 가지가 다 들어 있습니다. 2023년 1월에 열린 외부 MIL-STD-810 교육 과정의 안내가 미 국방부의 국방 체계 정보 분석 센터(DSIAC) 누리집에 실려 있는데, 여기에 고온, 저온, 온도 충격, 일사, 비, 습도, 곰팡이, 염수 분무, 모래와 먼지, 침수, 결빙과 어는 비 같은 방법 이름이 나옵니다. 진동과 충격도 같은 목록에 있습니다.
실험실 시험이 왜 먼저일까요? 미 육군 통신 장비 시험 시설을 맡은 부서의 책임자는 이것을 시험 공부에 빗댔습니다. 정식 사업의 시험은 기말 시험이니, 실험실에서 모의고사를 몇 번 먼저 치르는 것이 맞다는 말입니다. 가장 가혹한 조건을 실험실에서 재현하면 시험이 빨라지고 비용도 훨씬 적게 든다고 그는 덧붙였습니다.
모의고사에서 걸러지는 고장도 있습니다. 단단한 코팅(hard coating)은 대부분 취급 손상에 버티고 나쁜 환경에 오래 견디도록 만들지만, 고장이 나면 갈라짐, 잔금, 벗겨짐, 부풂으로 나타납니다. 이런 고장은 대개 출하 전 환경 신뢰성 시험을 마칠 때 드러납니다.
업체가 환경 시험을 서비스로 내놓기도 합니다. FiberBridge는 우주·국방 분야를 포함한 여러 분야의 고객을 위해 환경 시험 서비스를 제공하며, 그 절차가 Telcordia Generic Requirements와 MIL-STD-810H 같은 산업 표준을 따른다고 밝힙니다.
남은 어려움
환경을 견디게 만드는 일에는 만드는 쪽이 고를 수 없는 부분이 있습니다. 접합한 광학 조립체가 떨어지는 요인은 공정, 재료, 환경으로 나뉘는데, 이 가운데 제조사가 통제할 수 없는 것은 환경 요인뿐입니다. 공정과 재료는 공장에서 다듬을 수 있어도, 장비가 놓일 날씨는 그렇지 않습니다.
지키는 장치도 실을 자리가 필요합니다. 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다」에서 본 대로 체계의 모든 부분은 플랫폼의 크기·무게·전력(size, weight and power, SWaP) 안에 들어가야 합니다. 장비를 지키려고 더하는 외함 같은 구조물도 플랫폼에 함께 실려야 하는 부분입니다.
정비도 숙제로 남습니다. CRS가 지향성 에너지 무기를 재래식 무기보다 정비하기 어려울 수 있다고 보면서 든 근거가 앞의 청정실 이야기였습니다. 외함으로 바깥을 막아도, 안쪽의 민감한 장치를 고치는 일은 따로 남습니다.
다음에 읽을 글
- 「대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍」: 비, 안개, 먼지가 장비가 아니라 빔에 주는 영향을 봅니다.
- 「진동과 충격: 흔들리는 곳에서 광학계를 지키기」: 같은 시험 목록에 있는 진동과 충격을 이어 봅니다.
- 「거울, 렌즈, 코팅: 센 빛을 다루는 광학 부품」: 코팅이 무엇이고 센 빛 앞에서 무엇을 견디는지 봅니다.