레이저 포인터의 빨간 점은 눈에 보입니다. 그런데 빛이 모두 눈에 보이는 것은 아닙니다. 보이는 빛과 보이지 않는 빛을 가르는 것이 파장(wavelength)입니다.
파장은 파동이 한 번 되풀이되는 길이이고, 빛에서는 색과 이어집니다. 단위는 nm(나노미터)와 μm(마이크로미터)를 쓰며, 1 μm는 1000 nm입니다. 파장이 달라지면 눈에 보이는지, 눈의 어느 곳에서 빛이 흡수(absorption)되는지, 공기를 잘 지나가는지가 함께 달라집니다. 흡수는 물질이 빛의 에너지를 받아들이는 일입니다.
파장과 색: 보이는 빛은 좁은 구간이다
사람 눈에 보이는 빛, 곧 가시광(visible light)은 파장의 좁은 구간입니다. NASA는 사람 눈이 대략 380~700 nm의 파장을 감지하고, 보라가 가장 짧고 빨강이 가장 길다고 설명합니다. 미국 OpenStax의 대학 물리 교재(University Physics)는 같은 구간을 약 400~750 nm로 적었습니다. 이 밖에도 다른 값을 쓰는 자료가 있어서, 가시광의 경계는 출처마다 다릅니다.
그래서 380~400 nm와 700~750 nm는 어느 자료를 보느냐에 따라 보이는 빛에 들어가기도 하고 빠지기도 합니다. 가시광보다 파장이 짧은 쪽이 자외선(ultraviolet, UV), 긴 쪽이 적외선(infrared, IR)입니다. 적외선의 주파수(frequency, 진동수) 범위는 가시광 주파수의 하한, 곧 빨강 바로 아래까지 이어집니다. 적외선은 가시광에서 빨강 바깥쪽에 있습니다.
보이지 않는 빛: 적외선과 자외선
적외선은 가시광 바로 너머의 영역이고, 근적외선(near-infrared), 중적외선(mid-infrared), 원적외선(far-infrared)으로 나뉩니다. OSHA의 기술 매뉴얼(OSHA Technical Manual)은 적외선을 눈에 보이지 않는 전자기 복사로, 파장이 0.7~1000 μm인 범위라고 정의합니다. 같은 매뉴얼은 이 범위를 IR-A(0.7~1.4 μm), IR-B(1.4~3.0 μm), IR-C(3.0~1000 μm)로 나눕니다.
경계는 이 매뉴얼 안에서도 다릅니다. 눈 영향 요약표는 IR-A를 0.780~1.400 μm로 적어서, 용어집의 0.7 μm와 시작 값이 다릅니다.
대표적인 레이저 파장이 이 띠의 어디에 있는지 표로 보겠습니다. 1064 nm는 1.064 μm이므로 OSHA 용어집의 IR-A 정의에 들어갑니다.
| 레이저 | 파장 | 구간 | 근거 |
|---|---|---|---|
| 헬륨-네온(He-Ne) | 633 nm | 빨강, 가시광 | NIST(National Institute of Standards and Technology)가 소개한 표준 권고의 표기 |
| Nd:YAG(결정을 매질로 쓰는 레이저) | 1064 nm | IR-A(0.7~1.4 μm) 안 | OSHA 용어집 |
| 이산화탄소(CO₂) | 10.6 μm(10600 nm) | IR-C(3.0~1000 μm) 안. OSHA 용어집의 구분이며 이름과 경계는 출처마다 다름 | OSHA 용어집 |
도표에서는 가시광의 NASA 값을 색으로 칠하고 OpenStax 값을 괄호로 나란히 표시했습니다. 두 값이 갈리는 380~400 nm와 700~750 nm는 점선 테두리로 구분했습니다.
파장과 눈: 어디까지 들어가나
눈에서 빛이 흡수되는 곳은 파장에 따라 달라집니다. 여기서는 ICNIRP가 2013년에 낸 레이저 노출 한계 지침을 따라 갑니다. 이 지침의 한계값은 180 nm~1 mm 파장에 적용됩니다.
자외선에 대해 ICNIRP는 짧은 쪽은 각막(cornea)과 결막(conjunctiva)에서, 긴 쪽은 대부분 수정체(lens)에서 흡수된다고 적었습니다. 가시광과 근적외선 구간에서는 망막(retina) 손상 위험이 특히 우려되고, 이 범위는 400~1400 nm입니다. 앞의 표에서 본 1064 nm는 눈에 보이지 않지만 이 범위 안에 있습니다. ICNIRP 지침은 망막에 닿은 빛이 대부분 색소상피(pigmented epithelium)와 그 아래 맥락막(choroid)에서 흡수된다고 설명합니다.
눈 속 매질은 투명하고 눈은 빛을 모으는 성질이 있어서, 이 구간에서는 망막이 몸의 다른 어느 부분보다 손상에 약합니다. 한 점에서 나오는 빛, 곧 점광원이라면 각막에서 망막으로 가면서 단위 면적에 닿는 빛의 세기(방사 조도, irradiance)가 약 10만 배로 커진다고 ICNIRP는 설명합니다.
파장이 더 길어지면 이야기가 바뀝니다. ICNIRP는 1150~1400 nm에서는 망막 손상과 앞쪽 눈(전안부, anterior segment) 손상을 둘 다 고려해야 한다고 적었습니다. 1400 nm를 넘으면 이 지침의 노출 한계는 앞쪽 눈 손상 기준으로 정해집니다. 또 10.6 μm 이산화탄소 레이저를 예로 들어, 이 파장의 빛이 각막 앞면의 아주 얇은 층에서 흡수된다고 적었습니다.
자료마다 숫자가 조금씩 다른 곳도 있습니다. 한 논문(Schulmeister와 Stuck, 2024)은 1200~1400 nm에서 주된 위험이 망막에서 각막으로 옮겨 간다고 적었습니다. 이 논문이 인용한 레이저 제품 안전 표준 IEC 60825-1의 각주는 1250~1400 nm에서 망막을 지키는 한계가 앞쪽 눈을 충분히 지키지 못할 수 있으니 주의하라고 합니다.
그렇다고 어떤 파장이 안전하다는 뜻은 아닙니다. 1150 nm 이상에서 앞쪽 눈까지 살펴야 한다는 앞의 이야기가 그 한 예입니다. 이 글이 확인한 공식 자료 가운데 특정 파장이 안전하다고 말하는 자료는 없습니다.
파장과 재료: 잘 흡수되는 빛, 그냥 지나가는 빛
눈만 그런 것이 아닙니다. 흡수는 물질과 파장의 짝에 따라 달라집니다.
OpenStax 교재에 따르면 오존은 UV-B의 대부분과 UV-C 전부를 흡수합니다. UV-B와 UV-C는 자외선을 나눈 이름입니다. 적외선은 대기 속 물 분자와 이산화탄소 분자가 흡수합니다.
앞에서 본 눈도 같은 예입니다. OSHA는 눈이 투과시키는 영역에 드는 자외선, 가시광, 적외선을 0.35~1.4 μm(350~1400 nm)로 정의합니다. 그런데 10.6 μm 이산화탄소 레이저의 빛은 각막 앞면의 아주 얇은 층에서 흡수된다고 ICNIRP는 적었습니다. 같은 눈이라도 파장에 따라 빛이 깊이 들어가기도 하고 앞면에서 멈추기도 합니다.
다른 재료의 흡수는 레이저 가공을 다루는 글에서 이어서 설명합니다.
파장과 공기
공기도 파장마다 투명한 정도가 다릅니다. 가시광 같은 빛은 대기를 대부분 통과합니다. 이렇게 대기를 통과할 수 있는 파장의 구간을 NASA는 대기 창(atmospheric windows)이라고 부르고, NOAA도 같은 말을 씁니다. NOAA는 태양 에너지의 대부분이 가시광과 근적외선에서 온다고 설명합니다.
가시광은 구름에 잠시 가려질 때를 빼면 대기를 효과적으로 통과합니다. 앞 절의 오존, 물 분자, 이산화탄소 분자의 흡수는 대기가 빛을 막는 예입니다. 대기는 파장에 따라 빛을 통과시키기도 하고 막기도 합니다.
다음에 읽을 글
이어지는 글은 레이저 이야기에서 자주 헷갈리는 수치를 다루는 "출력, 에너지, 세기: W, J, W/cm² 헷갈리지 않기"입니다. 눈 위험의 자세한 내용은 "레이저 안전", 재료의 흡수는 "레이저는 재료를 어떻게 가공하나", 공기 속 빛은 "대기 전파"에서 이어집니다.