1960년에 처음 빛을 낸 레이저는 고체 레이저였습니다. 반세기가 지난 지금, 미국의 레이저 무기 사업 가운데 많은 것도 전기로 돌아가는 고체 레이저이고, 한국의 레이저대공무기 천광은 광섬유 레이저(fiber laser)를 씁니다. 처음과 지금만 놓고 보면 제자리로 돌아온 것처럼 보입니다.
그 사이에는 긴 우회로가 있었습니다. 수십 년 동안 가장 앞선 레이저 무기 구상들은 화학 반응으로 빛을 내는 화학 레이저를 바탕으로 했고, 그 레이저를 대형 화물기를 고친 비행기에 싣기도 했습니다. 그 사업들은 어떻게 끝났고, 왜 방향이 전기 레이저로 바뀌었을까요?
이 글은 그 길을 미국 의회조사국(Congressional Research Service, CRS)과 회계감사원(Government Accountability Office, GAO), 미사일방어청(Missile Defense Agency, MDA), 육군의 공개 자료와 한국 방위사업청의 발표로 따라갑니다.
레이저가 나오자마자 시작된 물음
레이저가 나오자 이 빛을 무기로 쓸 수 있느냐는 물음이 곧 따라왔습니다. 미국은 1960년대부터 지향성 에너지를 연구했습니다. 지향성 에너지 무기(directed-energy weapon, DEW)는 운동 에너지 대신 한데 모은 전자기 에너지로 적과 맞서는 무기입니다. 미사일이나 포탄처럼 맞혀서 부수는 무기와 다른 갈래입니다.
무기로 쓰려면 출력이 커야 합니다. 미 해군 함정 레이저 논의에서는 빔 출력이 대체로 10 kW 이상인 레이저를 고에너지 레이저(high-energy laser, HEL)라고 부릅니다. 레이저 무기가 실제로 하는 일과 영화 속 모습의 차이는 「레이저 무기란 무엇인가: 영화와 실제의 차이」에 먼저 정리해 두었습니다.
GAO는 국방부가 이 기술에 수십 년 동안 매달린 까닭을 상당한 이점에서 찾습니다. 빛의 속도로 표적에 효과를 내고, 미사일 같은 무기보다 한 번 쓰는 비용이 낮을 수 있다는 것입니다.
그런데 같은 세월에는 다른 기록도 남았습니다. 일부 전문가는 국방부가 성숙하지 못하고 결국 취소된 지향성 에너지 사업에 수십억 달러를 썼다고 봅니다. 그 기록을 따라가면 먼저 화학 레이저를 만나게 됩니다.
화학 레이저의 시대: 큰 출력, 큰 짐
화학 레이저는 화학 물질끼리 반응할 때 나오는 에너지로 빛을 만듭니다. 열을 내는 반응이 원자나 이온을 들뜬 상태로 올려 두고, 그 입자들이 레이저 빛을 냅니다. 반응을 아주 낮은 압력에서 일으켜야 해서 진공 펌프와 복잡한 화학 물질 관리 장치가 딸린 큰 장치가 됩니다. 레이저의 여러 갈래는 「레이저 종류 한눈에 보기: 기체, 고체, 광섬유, 반도체」에서 볼 수 있습니다.
그런데도 화학 레이저가 오래 중심에 있었던 데에는 까닭이 있습니다. 2018년 CRS 보고서가 옮겨 실은 싱크탱크 CSBA의 2012년 분석은 화학 레이저를, 그때 수백 킬로미터 거리에서 탄도미사일 같은 표적을 막을 출력을 낼 수 있는 유일한 지향성 에너지 체계로 꼽았습니다. 그래서 그 무렵까지 국방부의 가장 성숙한 고에너지 레이저 구상이 화학 레이저를 바탕으로 했다고 적었습니다.
큰 출력에는 큰 짐이 따라왔습니다. 화학 레이저는 연료 탱크를 매단 난로와 닮았습니다. 연료가 떨어지면 다시 채워야 하고, 연료를 만들고 옮기고 지키는 일이 늘 따라붙습니다.
실제로는 난로처럼 연료를 태워 열을 얻는 것이 아니라, 화학 물질끼리의 반응이 곧바로 원자를 들뜨게 해 빛의 에너지가 된다는 점이 다릅니다. 전기 레이저도 연료에서 완전히 자유롭지는 않습니다. 함정의 고체 레이저는 배에 발전용 연료가 있어야 계속 쏠 수 있습니다.
짐의 내용은 공식 자료에 꽤 자세히 적혀 있습니다. 2004년 GAO는 공중 레이저(ABL)를 실전에 두려면 작전 지역 가까이에 레이저 연료 생산 시설이 있어야 하고, 화학 물질 시설을 지켜야 하며, 지상 지원 부대와 화학 물질을 전방으로 옮겨야 한다고 봤습니다.
화학 레이저는 군수 부담이 크고 위험한 화학 물질을 씁니다. 레이저 무기가 오래 되풀이해 쏘려면 빔을 만들 때 생기는 열과 화학 부산물도 내보내야 합니다.
지상에서 이 짐을 드러낸 사업이 전술 고에너지 레이저(Tactical High Energy Laser, THEL)입니다. 1996년 미국과 이스라엘이 함께 시작한 사업으로, 카추샤 로켓과 포탄, 박격포탄을 떨어뜨릴 레이저를 목표로 했습니다. 레이저는 중수소 불화물(deuterium fluoride, DF) 화학 레이저였습니다. CRS에 따르면 THEL은 2000년과 2001년 운용 시험에서 카추샤 로켓 28발과 포탄 5발을 격추했습니다.
시험 결과가 좋았는데도 THEL은 배치되지 않았습니다. 미 육군은 2014년 기사에서 THEL이 작동에 독성 화학 물질을 썼고, 그것이 신뢰성과 군수, 비용, 안전에 영향을 줬다고 돌아봤습니다. 2006년 1월 국방부는 거듭된 차질과 비용 초과, 그리고 차량에 싣기에는 너무 크다는 우려 끝에 사업을 취소했습니다.
하늘에 띄운 레이저와 그 끝
화학 레이저를 하늘로 가져간 사업도 있었습니다. 1996년 미 공군은 상승 단계, 곧 로켓 엔진이 아직 타고 있는 동안의 탄도미사일을 무력화할 레이저 무기인 공중 레이저(Airborne Laser, ABL)의 획득 사업을 시작했습니다. 2001년 10월에는 사업이 지금의 미사일방어청(당시 탄도미사일방어기구)으로 넘어갔습니다. MDA 사실 자료를 보면 시험기는 보잉 747-400 화물기를 고쳐 만든 비행기에 메가와트급 화학 산소-요오드 레이저(chemical oxygen iodine laser, COIL)와 고체 레이저 둘을 실었습니다.
돈과 시간은 계획보다 많이 들었습니다. GAO는 2004년에 ABL 주 계약의 값이 1996년부터 2003년 사이 약 10억 달러에서 20억 달러로 늘었다고 적었습니다. 2010년 보고서에 실린 사업 쪽 추정으로는 첫 치사성 시연까지 51억 달러에 가깝고, 1996년 원래 계약 추정의 거의 다섯 배였습니다.
2009년이 갈림길이었습니다. 오래 이어진 기술 문제와 비용 증가, 일정 지연을 이유로 국방장관은 2010 회계연도 ABL 예산을 2억 달러 넘게 줄이고, 계획했던 2호기를 취소하고, 기술 개발에 집중하자고 권고했습니다. 같은 GAO 보고서는 지금의 사업이 운용 체계로 이어지지 않는다고 적었습니다.
시험은 그 뒤에 성과를 냈습니다. 2010년 2월 3일 ABL 시험기는 상승 중인 고체 연료 로켓을 파괴했고, 2월 11일에는 액체 연료 탄도미사일을 파괴했습니다. MDA는 이것을 공중에서 상승 중인 액체 연료 탄도미사일을 지향성 에너지로 파괴한 첫 시연이자 개념 증명이라고 불렀습니다.
시험기는 2011년 10월 11일 마지막 임무를 마쳤고, 2012년 2월 14일 데이비스-몬산 공군기지로 날아가 보관에 들어가며 현역에서 물러났습니다. 지금은 비군사화되어, 부품 대부분이 다른 정부 연구에 다시 쓰였습니다.
비행기에 레이저를 다는 시도는 그 뒤에도 이어졌습니다. 미 공군은 전투기 같은 항공기에 외부 포드로 달아 다가오는 미사일을 겨냥하려는 시제 체계 SHiELD를 개발했습니다. 2024년 5월 사업 책임자는 사업이 끝났고 더 시험할 계획이 없다고 말했고, SHiELD는 전투기 시험기에 달리지 않았습니다.
방향이 바뀐 이유: 전기로 쏘는 레이저
공식 자료에 적힌 이유는 둘입니다. 첫째는 짐입니다. 고체 레이저는 화학 레이저보다 작고, 전기만 있으면 작동합니다. 육군도 그래서 전기로만 움직이는 고체 레이저를 더 나은 해법으로 보았습니다.
둘째는 기술이 따라온 것입니다. 육군 기사에 따르면 고체 레이저는 처음에 무기로 쓸 만큼 성숙하지 않았고, 그 틈을 메우려고 공동 고출력 고체 레이저(Joint High Power Solid State Laser, JHPSSL) 사업을 했습니다. 이 사업은 2009년 고체 레이저로 몇 분 동안 100 kW가 넘는 출력을 보여 주요 목표를 이뤘습니다.
해군은 지난 15~20년 동안 산업용 고체 레이저의 큰 발전과, 국방부 다른 부서가 수십 년 쌓은 군용 레이저 연구를 함께 활용했습니다. 공장에서 먼저 퍼진 광섬유 레이저 이야기는 「광섬유 레이저는 왜 널리 쓰이게 됐나: 실험실에서 공장까지」에 있습니다.
같은 흐름은 사업에서도 보입니다. THEL을 이은 이동형 사업(MTHEL)이 진행되면서, 보도에 따르면 육군은 부피가 크고 군수 부담이 큰 화학 레이저에서 디젤 발전기로 전기를 얻는 고체 레이저로 관심을 옮기기 시작했습니다.
함께 볼 주장도 있습니다. 레이저는 늘 몇 년 뒤의 일이라는 회의론에 맞서, 레이저 지지자들은 지난 예측이 빗나간 기록을 인정하면서도 이제는 상황이 달라졌다고 주장합니다.
고체 레이저 기술이 빠르게 발전했고, 수십~수백 마일 밖의 표적을 노리는 메가와트 출력의 레이저에서 몇 마일 안의 표적을 노리는 킬로와트 출력의 레이저라는 더 현실적인 목표로 옮겼다는 것입니다. 회의론의 말과 그 뜻은 「레이저 무기 기사 읽는 법: "kW급", "사거리", "한 발 비용"」에서 볼 수 있습니다.
전기로 바꾸면 한 발의 값을 따지는 법도 달라집니다. 지금 미국 사업의 많은 것이 전력으로 움직이는 고체 레이저라서, 한 발 비용은 그 한 발에 드는 전력 비용과 같다고 봅니다. 전력이 있는 한 되풀이해 쏠 수 있다는 장점과 그 조건은 「레이저 무기의 장점과 한계」에서 자세히 풉니다.
대가도 있습니다. 육군은 새 전기 레이저가 앞선 화학 레이저보다 훨씬 짧은 파장과 더 낮은 출력에서 작동한다고 적습니다. 짧은 파장은 더 작고 강한 빔을 만들 수 있지만 대기와 표적에 미치는 영향이 크게 다를 수 있고, 성능의 부담이 빔 제어 쪽으로 더 옮겨 갑니다. 무기급 고체 레이저는 열도 많이 내서, 실용적인 냉각 기술이 군사적 쓸모를 더 키울 수 있다고 CRS는 봅니다.
빔 품질과 효율을 높이는 일도 이어지고 있습니다. 국방부는 지향성 에너지 무기 업계 기반을 키우고 레이저 빔 품질과 효율을 높이려는 고에너지 레이저 확장 계획(High Energy Laser Scaling Initiative)을 내놓았습니다. 여러 레이저 빔을 하나로 묶어 출력을 키우는 원리는 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」에서 다룹니다.
함정과 차량에 실리기까지
전기 레이저가 먼저 실린 곳은 바다였습니다. 2009~2012년 미 해군은 시제 고체 레이저 LaWS(Laser Weapon System)를 처음에는 육상에서, 다음에는 바다 위 함정에서 무인기를 상대로 시험했습니다. 보고된 빔 출력은 30 kW였습니다. 2010~2011년에는 또 다른 시제 MLD가 함정에서 소형 보트를 맞혔습니다.
2014년 8월 해군은 LaWS를 USS Ponce(폰스)에 설치해 운용 환경에서 함정 레이저를 평가했고, 그해 12월 이 LaWS를 "operational" 체계로 선언했습니다. CRS의 국방부 보고서는 같은 장비를 요약에서는 미국의 첫 운용 지향성 에너지 무기, 해군 절에서는 첫 시제(prototype) 무기라고 부릅니다. Ponce는 2017년 10월 퇴역했고, 그때 LaWS도 떼어 냈습니다.
차량 쪽에서는 미 육군의 DE M-SHORAD가 스트라이커 전투 차량에 50 kW 레이저를 달아 여단에 단거리 방공을 지원하려 합니다. 보도에 따르면 2024년 2월 육군은 이 시제 네 대를 중동에 보내 병사들이 시험하게 했습니다. 병사들의 첫 반응은 "압도적으로 긍정적이지는 않았다"고 전해졌고, 관계자들은 시험장 결과와 전술 환경이 매우 다르다고 말했습니다.
한국의 레이저대공무기는 2019년 8월에 착수해 국방과학연구소가 체계 개발을 주관했습니다. 2024년 7월 정책브리핑은 2023년 4월(기사의 말로는 "지난해 4월") 전투용 적합 판정을 받아 체계 개발에 성공했다고 전했고, 방위사업청은 천광이 2024년 12월 전력화됐다고 밝혔습니다. 천광은 광섬유 기반의 레이저를 표적에 직접 비추는 무기입니다. 체계 개발 때는 해외에서 들여온 레이저발진기를 썼고, 2026년 5월 말 이 핵심 구성품을 국산화했습니다.
시제가 현장에 나가는 것과 정식 무기가 되는 것 사이에는 여전히 거리가 있습니다. GAO는 국방부와 각 군이 여러 레이저 무기 시연기와 시제로 실사격 시연에서 드론을 격추했다고 적으면서도, 개발 쪽과 획득 쪽 사이의 틈인 이른바 "죽음의 계곡"이 기술 이전을 막는다는 오래된 지적을 함께 옮깁니다.
레이저 밖에서 전력과 냉각, 빔 지향기가 어떻게 이어지는지는 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다: 체계 구성 한눈에」에서 볼 수 있습니다. "시제", "운용", "전력화"라는 말이 기사에서 어떻게 섞여 쓰이는지는 앞의 기사 읽는 법 글에 정리했습니다.
한 줄로 보는 연표
- 1960년: 첫 레이저가 빛을 냅니다. 고체 레이저였습니다. 미국의 지향성 에너지 연구는 1960년대부터입니다.
- 1996년: 미국·이스라엘의 THEL과 미 공군의 ABL 획득 사업이 시작됩니다. 둘 다 화학 레이저입니다.
- 2000·2001년: THEL이 운용 시험에서 카추샤 로켓 28발과 포탄 5발을 격추합니다.
- 2006년 1월: 국방부가 THEL을 취소합니다.
- 2009년: 국방장관이 ABL 2호기 취소를 권고합니다. 같은 해 JHPSSL 사업의 고체 레이저가 100 kW를 넘깁니다.
- 2009~2012년: 해군이 시제 고체 레이저 LaWS를 시험합니다.
- 2010년 2월: ABL 시험기가 상승 중인 고체 연료 로켓과 액체 연료 탄도미사일을 파괴합니다.
- 2012년 2월: ABL 시험기가 보관에 들어가며 현역에서 물러납니다.
- 2014년: 8월 LaWS가 USS Ponce에 실리고, 12월에 "operational"로 선언됩니다.
- 2019년 8월: 한국이 레이저대공무기 개발에 착수합니다.
- 2024년: 보도에 따르면 2월 미 육군 스트라이커 레이저 시제가 중동에서 시험되고, 12월 한국의 천광이 전력화됩니다.
- 2026년 5월 말: 천광의 레이저발진기가 국산화됩니다.
다음에 읽을 글
- 「지금 공개된 레이저 무기 사례」: 이 연표의 끝에서 이어지는, 각국 정부가 공식 발표한 오늘의 사례를 모읍니다.
- 「레이저와 고출력 마이크로파: 지향성 에너지 두 가지」: 같은 시기에 함께 연구된 또 하나의 지향성 에너지를 레이저와 나란히 놓습니다.
- 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다: 체계 구성 한눈에」: 전기 레이저가 무기가 되려면 레이저 밖에 무엇이 더 필요한지 블록 도표로 봅니다.
- 「눈 안전과 국제 규범: 실명 레이저 무기 금지 의정서」: 레이저 무기에 적용되는 국제 규범이 무엇을 정했는지 봅니다.
- 「전력과 효율: 전기가 빛이 되는 비율이 체계 크기를 정한다」: 전기 레이저에서 효율이 왜 체계의 크기를 정하는지 다룰 글입니다.