앞이 보여야 하는데 빛은 막아야 합니다. 레이저 보안경이 풀어야 하는 문제는 이 두 가지를 한꺼번에 맞추는 것입니다. 영국 Public Health England(PHE)의 소책자에 실린 보안경의 조건도 그렇습니다. 작업 구역의 모든 것이 보여야 하고, 광학 방사는 받아들일 만한 수준으로 줄어야 합니다.
레이저 보안경은 렌즈 전체를 고르게 어둡게 하는 물건이 아닙니다. 정해진 파장(wavelength)의 빛만 골라 크게 줄이고, 나머지 빛은 되도록 지나보내는 필터입니다. 빛을 줄이는 길은 크게 둘로, 빛을 흡수(absorption)해 없애는 흡수형과 빛을 되돌려 보내는 반사형이 있습니다.
두 방식이 어떻게 작동하고 무엇이 다른지, 그리고 필터만으로는 모자란 경우가 언제인지를 차례로 봅니다. 보안경에 새겨진 파장과 OD 표시를 읽는 법은 앞 글 「레이저 안전: 등급과 보안경 읽는 법」에 있습니다. 이 글은 원리를 풀어 쓴 것이고, 안전 교육이나 레이저 안전 담당자의 판단을 대신하지 않습니다.
보안경은 무엇을 줄이나
미국 레이저 안전 표준 ANSI Z136.1-2022는 Laser Institute of America(LIA)가 일부 쪽을 샘플로 공개해 두었습니다. 그 샘플에서 레이저 보호 안경은 한 파장, 여러 파장, 또는 한 파장 대역을 막도록 따로 설계되는 물건이고, 쓰는 안경은 지금 쓰는 레이저의 파장에 맞아야 합니다. 방법은 특수한 흡수 필터 재료, 반사 코팅, 또는 둘의 조합입니다. 목표는 눈이 받을 수 있는 노출을 최대 허용 노출량(maximum permissible exposure, MPE) 이하로 줄이는 것입니다.
빛을 줄이는 일을 감쇠(attenuation)라고 합니다. 이 샘플의 용어 정의로는 흡수하거나 산란하는 매질을 지나면서 출력이나 에너지가 줄어드는 것입니다. 보안경 필터는 이 감쇠를 정해진 파장에서만 크게 일으키도록 만든 매질입니다.
얼마나 줄이는지는 광학 밀도(optical density, OD)라는 로그 척도로 적습니다. 미 육군 공중보건센터(APHC)의 표에서 OD 1이면 빛의 10%가, OD 3이면 0.1%가, OD 6이면 0.0001%가 지나갑니다. 그렇다고 OD 6.0이면 늘 충분한 것은 아닙니다. APHC는 그래도 안전한 수준까지 줄이기에 모자랄 수 있고, OD 요구는 언제나 레이저마다 정해진다고 덧붙였습니다.
흡수형 필터: 색소가 빛을 받아들인다
APHC 안내에서 가장 흔한 보안경은 흡수 방식입니다. 렌즈에는 막아야 할 파장의 빛을 흡수하도록 따로 만든 색소(pigment)가 들어 있습니다. 보안경 제조사 NoIR의 안내 쪽에서는 흡수 필터의 재료를 고분자에 염료(dye)를 넣은 것과 유리 두 가지로 나눕니다.
스펀지가 물을 빨아들이듯 색소가 정해진 파장의 빛을 빨아들인다고 그려 볼 수 있습니다. 실제로는 스펀지와 달리 얼마나 빨아들이는지가 파장마다 크게 다릅니다. 보안경의 흡수 곡선은 선형이 아니어서, 어떤 파장 범위를 막는다고 그 옆 파장까지 막는다는 뜻은 아닙니다.
색소가 막아야 할 파장만 정확히 골라 먹는 것은 아닙니다. 보이는 빛의 일부 범위도 흡수할 수 있어서, 흡수형 보안경을 쓰면 바깥이 조금 덜 보일 수 있습니다.
흡수된 빛 에너지는 어디로 갈까요? 레이저 빛이 물체에 닿으면 일부가 흡수되어 표면이나 내부의 온도가 오르고, 재료가 바뀌거나 변형될 수 있습니다. 텍사스대 오스틴의 레이저 안전 안내서가 레이저의 위험을 풀며 든 내용으로, 보안경만이 아니라 빛을 받은 물체 모두에 해당합니다.
보안경 필터에는 따로 요구가 붙어 있습니다. ANSI 샘플 쪽은 보호 필터가 정해진 노출 시간, 보통 10초에 대한 손상 문턱을 보여야 하고, 최악의 노출 상황에서도 그 문턱을 넘지 않게 써야 한다고 적었습니다. 광학 부품의 손상 문턱은 레이저 유도 손상 문턱(laser-induced damage threshold, LIDT) 항목에 풀이가 있습니다.
흡수형에는 나이를 먹는 문제도 있습니다. APHC에 따르면 색소는 시간이 지나며, 보통 자외선 때문에 분해될 수 있습니다. 이때 렌즈는 눈으로 보기에 더 어두워지는데도 보호 성능은 약해질 수 있습니다. 열화된 보호구는 부서지기 쉬워질 수 있어서, 금이 가거나 어두워진 보호구는 바꿔야 합니다.
반사형 필터: 얇은 막이 빛을 되돌린다
반사형은 유전체 코팅 보안경이라고도 부릅니다. 렌즈에 유전체 물질의 얇은 막을 여러 층 입히면, 어떤 파장의 빛은 이 막에서 반사되고 다른 빛은 그대로 지나갑니다. APHC 안내가 그리는 반사형의 모습이 이렇습니다. 렌즈 면에 층을 입혀 반사와 투과를 바꾸는 광학 코팅(optical coating)의 한 종류입니다.
얇은 막이 어떻게 색을 가려 낼까요? 물 위에 뜬 기름막이나 햇빛을 받은 비눗방울이 무지갯빛으로 보이는 것도 같은 현상입니다. 막의 위 면과 아래 면에서 반사된 두 빛이 겹치며 간섭(interference)을 일으키고, 두 빛의 마루가 맞으면 반사가 세지고 어긋나면 약해집니다. 이것을 박막 간섭이라고 합니다.
어느 색이 세게 반사될지는 막의 두께, 빛의 파장, 막의 굴절률이 함께 정합니다. 면에 수직으로 들어오는 빛이라면, 아래 면에서 반사된 빛은 위 면의 빛보다 막 두께의 약 두 배를 더 갑니다. 이 더 간 길이가 파장과 어떤 관계인지에 따라 두 빛이 서로 돕기도 하고 지우기도 합니다.
막은 한 장이 아니라 여러 장 쌓을 수도 있습니다. 보통의 고반사 레이저 거울은 굴절률이 높은 층과 낮은 층을 번갈아 쌓은 브래그 거울(Bragg mirror)입니다. 이런 유전체 다층 구조는 어떤 파장 범위에서만 반사율이 높고, 그 가장자리에서 반사율이 급히 떨어집니다. Keller의 교과서 『Ultrafast Lasers』는 이 범위를 정지 대역(stop band)이라고 부릅니다.
보안경의 반사형 필터도 이렇게 박막을 쌓아 만듭니다. APHC 안내에서는 박막을 쌓으면 넓은 파장 범위를 막을 수 있고, 반사형이 보통 흡수형보다 보이는 빛을 더 많이 통과시킵니다. 반대로 보호하는 파장 범위가 아주 좁은 반사형도 있어서, 레이저 출력에 맞는지 확인해야 합니다.
간섭의 바탕은 「간섭과 회절: 빛이 겹치고 퍼지는 방식」에 있습니다. 레이저 장비 안의 코팅은 「거울, 렌즈, 코팅: 센 빛을 다루는 광학 부품」에서 볼 수 있습니다.
두 방식 견주기
먼저 보이는 빛입니다. 반사형은 보통 흡수형보다 보이는 빛 투과율이 높습니다. NoIR의 풀이로 보이는 빛 투과율(visible light transmittance, VLT)은 필터를 지나는 가시광의 백분율을 낮의 빛에 대한 눈의 감도에 맞춰 계산한 값입니다. PHE 소책자도 필터를 통해 보이는 밝기와 주변의 색을 보안경의 중요한 성질로 꼽습니다.
다음은 관리입니다. 흡수형은 색소가 자외선에 약해서, 가능하면 해를 피해 보관해야 합니다. 반사형은 보호를 맡는 막이 렌즈 표면에 입혀져 있습니다. 렌즈 표면이 손상된 반사형 보호구는 바꾸고, 긁히지 않게 특히 조심하라는 것이 APHC의 당부입니다.
세 번째는 각도입니다. 앞의 박막 간섭 계산은 빛이 면에 수직으로 들어오는 경우였습니다. ANSI 샘플 쪽은 보안경을 고를 때 따질 요인 가운데 하나로 보호가 각도에 따라 달라지는 정도를 듭니다.
제조사는 두 방식을 이렇게 비교합니다. NoIR에 따르면 혼합형(hybrid)은 두 기술을 합친 것입니다. 이 회사의 설명으로는 고분자 필터가 값이 싸고 쓰기 편하며 충격에 가장 강하고, 유리 필터는 더 무겁지만 보이는 빛 투과율과 손상 문턱이 더 높을 수 있습니다.
유전체 코팅과 혼합형은 에너지의 일부를 흡수하지 않고 반사하므로 보이는 빛 투과율과 손상 문턱이 가장 높고 값도 가장 비싸다는 것이 NoIR의 주장입니다. 어디까지나 한 회사의 설명입니다.
필터만으로 모자란 경우
아주 짧은 펄스는 따로 생각해야 합니다. ANSI 샘플 쪽은 최근 연구를 들어, 폴리카보네이트, 유리, 간섭, 혼합 필터를 포함한 기존 필터가 피코초나 펨토초 같은 초단 펄스 길이(pulse duration)에서 포화 흡수 같은 비선형 효과를 자주 보이고 이것이 OD를 낮출 수 있다고 적었습니다. 사용자는 보안경 제조사에 시험 자료를 요청해야 한다는 문장이 바로 뒤에 이어집니다.
파장도 다시 봐야 합니다. 어떤 레이저는 여러 파장을 함께 내거나 다른 파장으로 바꿀 수 있습니다. 레이저 파장에서의 보호 수준이 표시되지 않은 광학 기구는, APHC의 말대로 확인되기 전까지 보호를 주지 않는다고 가정해야 합니다.
빔과 다른 빛이 생기는 경우도 있습니다. 레이저를 받은 재료는 빛을 낼 만큼 달아오를 수 있고, 이 점은 아주 밝아 눈에 심한 광화학 손상을 줄 수 있습니다. 텍사스대 오스틴 안내서는 레이저 보호 안경이 이런 노출을 막지 못할 수 있다고 경고합니다.
NoIR의 질문과 답 쪽에도 비슷한 설명이 있습니다. 완전 보호용 안경을 썼는데 빔이 보인다면 보호 수준이 모자라거나 다른 파장의 2차 방사가 생긴 것이라는 풀이입니다. 그리고 어떤 경우에도 빔을 직접 들여다보는 일은 권하지 않습니다.
너무 많이 막는 것도 문제입니다. 보이는 빛을 막는 보안경은 OD가 높으면 앞이 잘 안 보일 수 있고, 걸려 넘어질 만한 다른 위험을 가릴 수 있습니다. APHC는 작업을 안전하게 할 만큼 보이고 경고등 같은 색 표시를 가리지 않는 보안경만 쓰라고 합니다.
보안경은 손상되고 열화될 수 있으므로 정기 점검이 안전 프로그램에 들어가야 합니다. 텍사스대 오스틴 안내서의 권고입니다.
군에서의 레이저 보안경
APHC는 미 육군의 공중보건 기관입니다. 그 안의 비전리 방사선과(Nonionizing Radiation Division, NRD)가 장비 체계를 평가하는 연구에서 보안경 지침을 냅니다. 그런 연구가 없으면 NRD에 연락하고, 군 전용이 아닌 레이저는 제조사 권고를 따르도록 되어 있습니다.
군인의 눈 보호구는 승인 보호 안경 목록(Approved Protective Eyewear List, APEL)에서 고르도록 되어 있습니다. 이 목록의 안경과 고글 가운데 일부는 레이저 보호 필터로 바꿔 끼울 수 있습니다. APHC는 레이저 파장을 바꿀 때 보안경도 바꿔 써야 한다고도 적었습니다. 필터가 정해진 파장에만 맞춰 만들어진다는 앞의 원리와 같은 이야기입니다.
필터만큼 모양도 중요합니다. 레이저 보호 안경은 눈의 앞과 옆을 모두 막고, 직접 노출과 비스듬한 각도에서 오는 반사를 막아야 합니다. APHC는 고글이 보통 안경보다 얼굴에 더 붙고 눈 옆까지 덮어서, 반사로 인한 노출을 줄이는 데 가장 낫다고 봅니다.
다음에 읽을 글
- 「레이저 안전: 등급과 보안경 읽는 법」: 보안경에 새겨진 파장과 OD 표시를 공식 문서의 조건 그대로 읽습니다.
- 「간섭과 회절: 빛이 겹치고 퍼지는 방식」: 반사형 필터의 바탕인 간섭을 더 자세히 풉니다.
- 「거울, 렌즈, 코팅: 센 빛을 다루는 광학 부품」: 레이저 장비 안의 코팅과 손상 문턱을 다룹니다.
- 「Q-스위칭과 모드 잠금: 짧은 펄스를 만드는 두 가지 방법」: 보안경의 OD를 낮출 수 있는 아주 짧은 펄스가 어떻게 만들어지는지 봅니다.
- 「눈 안전과 국제 규범: 실명 레이저 무기 금지 의정서」: 군에서 눈 안전이 국제 규범으로 어떻게 다뤄지는지 이어 읽습니다.