F. 빛과 피부의 상호작용

 사물을 식별할 수 있는 것은 태양 빛이나 다른 광원에서 기원한 빛이 물체에 부딪히며 반사 또는 산란하여 우리 눈에 들어오기 때문이다. 이렇듯 물체에 부딪힌 빛의 일부는 그대로 투과하기도 하고 일부는 원래 빛의 경로와 다른 방향으로 진행하는 산란 또는 반사 현상을 나타내기도 한다. 또한, 일부는 물질에 흡수되어 다른 형태의 에너지로 변환된다. 이러한 일련의 현상은 물체와 빛의 상호작용을 거시적인 측면에서 볼 때 드러나는 현상이다.

빛이 피부에 닿은 순간도 역시 반사, 산란, 투과, 흡수의 네 가지 현상이 일어난다. 즉, 빛이 피부에 도달하면 일부는 표면에서 반사 및 산란하고, 일부는 조직 내에 침투하여 산란 및 흡수되며, 나머지는 조직을 투과한다. 피부표면에서 반사와 산란의 정도는 표면의 거칠기 정도와 굴절률 그리고 조사광선의 표면 입사각에 따라 달라지며, 조직 속으로의 침투 정도는 조직의 성분, 조사광선의 파장에 따라 변화한다.

 

그림 3-5-F-1. 빛의 투과, 흡수, 산란 혹은 반사 현상

(1) 반사

 반사는 일정한 방향으로 나아가던 빛이 다른 물체의 표면에 부딪혀서 나아가던 방향을 반대로 바꾸는 현상을 말하며, 거의 대부분의 표면에서 빛은 반사된다. 이때 입사한 각도와 반사된 각도는 정확히 같은데, 이를 반사의 법칙이라고 한다. 또한, 표면에서 빛의 흡수가 일어나지 않는다면 입사한 빛의 에너지도 100% 반사된다.

 외부반사는 빛이 굴절률이 작은 물질(소한 매질)에서 굴절률이 큰 물질(밀한 매질) 방향으로 진행할 때 그 표면에서 반사되는 경우이며, 내부반사는 빛이 굴절률이 큰 물질(밀한 매질)에서 굴절률이 작은 물질(소한 매질) 방향으로 진행할 때 그 경계면에서 반사되는 경우이다. 내부반사는 입사광의 입사조건에 따라 전반사가 가능한데, 이러한 현상을 이용하는 것이 바로 광섬유의 원리이다.

 거울과 같이 매끈한 표면에서는 입사한 파면이 그대로 유지되면서 반사되는데 이를 정반사라고 하며, 거친 표면에서는 입사한 파면의 왜곡이 일어나서 원래 입사된 파면의 정보를 알아볼 수 없는 상태가 되는데 이를 난반사라고 한다. 실제로는 오직 완벽하게 연마된 면만 거울반사에 가깝기 때문에 실제로는 모든 평면 반사면에서 어느 정도의 난반사가 생긴다.

 피부의 제일 바깥층인 각질층에는 각질이 쌓인 언덕과 각질이 떨어져 나간 계곡 때문에 매끄럽지 못한 피부 상태로 빛의 난반사가 일어나 칙칙한 피부 상태를 보일 수 있으며, 이상적인 임상피부관리는 이러한 상태를 호전시켜 맑고 매끄러운 피부결을 유지하게 한다. 빛이 피부 내로 더 많이 들어가기 위해서는 입사광이 최대한 피부표면과 수직(입사각 0°)으로 조사되어야 하며, 표면은 산란을 줄이기 위해 매끄러워야 한다.

(2) 산란

  산란은 빛이 물체와 충돌하여 여러 방향으로 흩어지는 현상을 말하며, 충돌 전후에 운동 에너지의 변화가 없는 탄성 산란과 변화가 있는 비탄성 산란이 있다. 탄성 산란은 입자가 파장에 비해 충분히 작을 때 나타나는 레일리(Rayleigh)산란과 입자가 충분히 큰 경우에 나타나는 미(Mie)산란으로 나뉘는데, 전자는 하늘이 파랗게 보이는 이유가 되며 후자는 우유나 안개가 하얗게 보이는 이유가 된다.

 산란은 입사하는 매질의 표면이 거칠수록, 파동이 진행하는 매질 내에 부딪힐 수 있는 입자가 많을수록 잘 일어나게 된다. 또한, 단위시간 당 움직이는 거리가 많을수록 잘 일어나므로, 파장이 짧은 경우 단위시간에 더 많이 움직이면서 더 많은 입자와 부딪혀 산란이 잘 된다. 산란이 되면 피부를 투과하는 깊이가 더 짧아지게 되므로 짧은 파장의 빛일수록 깊게 투과하지 못하게 된다. 즉, 레이저의 침투력은 파장에 비례하여, 파장이 길면 길수록 조직을 더 깊이 침투한다. 파장이 짧으면 짧을수록 더 많이 산란한다는 것이다.

 

(3) 흡수

 흡수는 전자기파나 입자선이 물질 속을 통과할 때 에너지나 입자가 물질에 빨려들어 그 세기나 입자 수가 감소하는 현상을 말한다. 이렇게 흡수된 빛에너지는 사라지는 것이 아니라 다른 형태로 변환된다. 일반적으로 열에너지 형태로 변환되는 광열반응 외에 광물리반응, 광화학반응을 나타낼 수 있다.

 양자역학에 의한 발색이론의 발전으로 물질에 따른 빛의 선택흡수의 본질이 해명되어 발색단(chromophore)은 빛을 흡수하는 원자 또는 원자단을 이르는 말로서, 레이저와 관련하여 발색단은 '빛을 흡수하는 피부 구성성분'으로 이해될 수 있다. 피부에서 빛을 흡수하는 발색단은 물, 헤모글로빈, 멜라닌, DNA, RNA, 단백질(콜라겐, 엘라스틴), 지방, 카로틴, 문신색소 등이다. 각각의 발색단은 특정 파장을 선택적으로 흡수하는데, 특정 발색단에 선택적으로 잘 흡수되는 파장의 레이저빔을 조사하면 산란은 최소로 되고 흡수는 최대로 되어 조직에 열 손상을 가져오게 된다.

 

(4) 투과

 투과는 빛이 물질의 내부를 통과하는 현상을 말한다. 투과되는 빛의 양은 결국 반사, 산란, 흡수되지 않고 남은 빛의 양이 될 것이다. 조직에 빛이 깊이 투과되도록 하려면, 입사광이 최대한 피부 표면에서 수직이 되도록 하는 것이 좋으며 표면은 산란을 줄이기 위해 매끄러워야 한다. 파장이 짧으면 산란이 많아져서 깊게 들어갈 수 없다. 또한, 투과 도중 특정 발색단에 흡수되어 버리면 깊게 투과되지 못할 것이다.

 그래서 대개 파장이 길수록 깊이 투과되므로 가시광선보다는 근적외선이 생체 분자에 반응하지 않고 조직 깊숙이 침투할 수 있어 광학 생체영상이나 조직 깊숙한 부위에 열을 전달하는 수단으로 쓰인다. 하지만 물에 흡수되는 영역이 많은 1,300nm 이후부터는 흡수가 많아지면서 오히려 깊이 투과하지 못하게 된다. 그러므로 물에 흡수가 잘되는 파장의 적외선을 이용한 어븀야그(2,940nm)레이저나 CO₂(10,600nm)레이저가 오히려 투과 깊이가 얕으므로, 깊은 조직에는 화상을 입히지 않고 피부 표면에서 원하는 조직만을 증발시켜 태워 없앨 수 있는 것이다.

【참고】 굴절  굴절은 빛이 한 매질에서 다른 매질로 들어갈 때 경계면에서 그 진행 방향이 바뀌는 현상을 말한다. 이것은 다른 굴절률을 가진 물질 속에서는 빛의 속도가 다르기 때문에 발생하는 현상으로, 물질에서 전파되는 빛의 속도는 각 물질의 고유한 굴절률로 정해진다. 하지만 대개 피부 치료용으로 사용되는 빛이 피부 면에 직각으로 조사되어 입사각이 제로에 가깝게 되면 굴절은 보이지 않는 경우가 많고 무시할 만큼 작다.   사진 3-5-F-2. 빛의 굴절​

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참고문헌 

1. 강진성. 성형외과학. Third Edition. Volume 4. 얼굴(3). 군자출판사 2004; 2037.
2. 국립국어원. 표준국어대사전. 2020.
3. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 26-47, 191.
4. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 20-48.
 
*1. Hecht E. Optics. 4th Edition. Pearson Education 2002: 112-23.
*2. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2007: 29.
*3. Tunér J, Hode L. Laser Therapy Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 29-30. 

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레이저의 구조와 원리

E. 빛과 물질의 상호작용 

사진 3-5-E-1. 빛을 받아 아름답게 빛나는 장식품들

 사람의 몸은 다양한 감각을 통해 끊임없이 변화하는 외부 환경을 인지하고, 동시에 내부 환경의 항상성을 유지한다. 주위 환경은 계속해서 변화하므로 생명체가 정상적인 기능을 수행하기 위해서는 자신의 내부 환경을 최적의 상태로 일정하게 유지해야 하는 것이다. 이처럼 항상성은 생존을 위해 반드시 필요한 부분으로, 외부 환경의 변화를 인지하기 위해서 중요하지 않은 감각은 없겠지만, 그중에도 특히 빛을 감지하는 ‘시각’은 매우 중요하다.

  사물을 식별할 수 있는 것은 태양의 빛이나 다른 광원에서 기원한 빛이 물체에 부딪히며 반사되거나 또는 산란된 일부가 우리 눈의 망막에 맺혀 시신경을 거쳐 뇌로 전달되기 때문이다. 빛이 물체에 부딪히면 그 일부는 그대로 물질을 투과하고, 일부는 원래 빛의 경로와 다른 방향으로 반사 또는 산란한다. 또한, 일부는 물질에 흡수되어 다른 형태의 에너지로 변환되기도 한다. 이와 같은 일련의 현상들은 어느 정도 큰 물체에 빛을 비추었을 때 나타나는 광자와 큰 물체 사이의 상호작용이라고 할 수 있으며, 거시적인 측면에서 본다면 투과, 반사, 산란, 흡수 등으로 표현할 수 있다.

  하지만 더 자세히 들여다보면 광자와 물질과의 상호작용은 물질을 구성하는 기본 단위인 분자나 원자 수준에서 일어난다는 것을 알 수 있다. 빛은 전자기파이므로 근본적으로 전기장과 자기장을 동시에 가지고 있지만, 일부 자성 물질을 제외한 대부분의 물질은 전기장의 성질만을 가지므로 음전하를 띠고 있는 전자가 빛과 상호작용을 하는 과정에서 가장 중요한 역할을 담당한다. 물론 핵을 구성하는 양성자와 빛이 반응할 수 있으나, 이는 광자의 에너지가 매우 높은 경우에만 해당한다.

  물질에 흡수된 빛은 물질을 구성하는 분자의 전자를 들뜬 상태로 활성화시키며, 들뜬 상태로 활성화된 전자는 그 자체로는 불안정하므로 다시 안정된 상태인 원래의 기저상태로 돌아가게 된다. 이렇게 전자가 원래의 기저상태로 돌아가면서 방출하는 여분의 에너지는 광물리, 광화학 또는 광유도-전자 전이 등과 같은 다양한 과정을 거쳐 소진된다. 특히 광물리 효과는 다양한 형태로 나타나서 광자의 형태로 방출되는 복사, 대부분 열로 방출되는 비복사 형태의 방출, 주위 분자로 에너지가 전이되는 에너지 이동 등이 있으며 주위 분자와 복잡한 활성화 과정을 구성하기도 한다.

  특히 분자에 흡수된 광자는 분자 또는 원자의 전자 에너지 준위를 바닥 수준에서 들뜬 수준으로 상승시키며, 에너지를 흡수한 들뜬 상태의 전자는 자발적으로 광자를 방출하면서 원래의 기저상태로 돌아가는데, 만약 주위에 들뜬 상태의 전자를 가지는 분자가 물질 내에 더 많을 경우 유도방출이 발생할 수 있으며, 이러한 유도방출이 일어나려면 같은 주파수를 가진 광자에 의한 촉발이 필요하고, 이는 레이저의 기본 발생 원리가 된다.

참고문헌

1. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 164-80.

2. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 18-48.

*1. Hecht E. Optics. 4th Edition. Pearson Education 2002: 112-23.

*2. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2007: 483-93.

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레이저의 구조와 원리

D. 빛의 색

 사람들은 17세기까지 빛의 색은 없다고 믿었다. Descartes 역시 빛은 특정한 색상이 없는 백색이고, 프리즘을 통과하면서 나오는 무지개색은 프리즘 재질의 고유한 성질 때문에 일어나는 현상이라고 생각했다.

  하지만 Newton은 이와 같은 통념에 의문을 가지고 프리즘 2개를 이용한 실험을 고안하였다. 첫 번째 프리즘으로 백색광(당시 햇빛)을 여러 가지 색으로 구분한 후, 작은 구멍(slit)을 이용하여 구분된 여러 색 중 한 가지 색의 빛만을 선택하였는데, 이렇게 선택된 빛이 다시 프리즘을 지나가게 했더니, 빛의 색이 변하지 않는다는 사실을 알게 되었다. 만약 무지개 빛이 프리즘을 구성하는 물질에서 발생하는 것이라면, 두 번째 프리즘을 지난 후 다시 여러 가지 색으로 갈라졌을 것이나 한 번 프리즘으로 갈라진 빛은 두 번째 프리즘을 지나며 갈라지지 않았던 것이다. 이 실험의 결과는 백색광이 수많은 색의 빛으로 구성되어 있음을 주장할 수 있는 뒷받침이 되었고, 그 후에 많은 연구를 통해 빛의 색이란 전자기파의 파장을 사람의 시각이 느끼는 현상이라는 것을 알게 되었다.

  단색광(monochromatic light)이란 한 가지 파장만을 가지고 있는 빛이고, 다색광(polychromatic light)이란 여러 가지 파장을 가지고 있는 빛을 말한다. 백색광은 태양 빛처럼 가시광선 영역대를 모두 포함하고 있을 때를 지칭한다. 레이저는 단일 파장의 빛을 증폭시키는 구조를 가지므로 레이저에서 나오는 빛은 한 가지 색만을 가지게 된다. 하지만 최근에는 나오는 빛의 파장이 바뀌는 레이저와 태양 빛과 같은 백색광을 내는 레이저(supercontinuum laser) 등도 있다.

사진 3-5-D-1~2. Newton의 실험 스케치

참고문헌

1. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 16-21.​

*1. Boyle D. Descartes' Natural Light Reconsidered. Journal of the History of Philosophy 1999; 37 (4): 601-12.
*2. Newton I. Opticks. 1st edition. London: Sam. Smith and Benj. Walford 1704: 124.
*3. Sabra AI. Theories of Light, from Descartes to Newton. CUP Archive 1981: 233-50.
*4. Westfall RS. The Development of Newton's Theory of Color. Isis 1962; 53 (3): 339-58.

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레이저의 구조와 원리

C. 빛의 속도

사진 3-5-C-1. 빛의 속도는 진공 속에서 299,792,458m/s

 물리적인 관점에서 보는 빛은 전자기파이며, 매질이 없이도 전파되어 나간다. 빛은 각각의 여러 물질과도 상호작용을 하며, 간섭 및 회절과 같은 파동성을 가짐과 동시에 양자적인 성질의 입자성을 띠기도 하고, 일정한 에너지를 갖고 있으므로 빛의 속도 개념을 이해하는 것은 매우 중요하다.

 오래전부터 실제로 빛의 속도를 측정하려고 시도했던 과학자들에 의한 역사를 되돌아보는 일은 가슴 두근거리는 흥분을 가져다준다. 하지만 현재 빛의 속도는 정확한 값으로 정의되어 있으며, 진공 속에서 빛의 속도는 초속 299,792,458m로서 1초에 약 30만km이다. 이러한 진공 중 빛의 속도(c)는 변하지 않는, 물리적으로 매우 중요한 상수이다.

 과학의 발달과 함께 20세기 중반부터 빛의 속도를 점점 더 정확하게 측정하는 실험들이 개발되었고, 계속 빛의 속도의 값이 불확실하게 비교되었으므로, 마침내 1975년에 개최되었던 15회 국제도량형총회(Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM)에서 빛의 속도를 299,792,458m/s로 지정하였으며, 1983년에 있었던 17회 CGPM에서는 미터(m)를 '빛이 진공에서 1/299,792,458초 동안 움직인 거리'라고 재정의하면서 진공에서의 빛의 속도는 정확히 299,792,458m/s로 고정되었고, 이것이 현재의 SI 단위가 되었다.

 일반적으로 물체의 속도는 단위시간 동안 이동한 거리로 정의된다. 여기서 빛의 속도를 표현하기 위해 단위시간을 전자기파가 한번 진동하는 시간으로 정한다면, 단위시간은 전자기파가 한 번 진동하는 데 걸리는 시간, 즉 주기 T이고 단위시간 동안 이동한 거리는 전자기파의 파장 λ이 되므로, 다음과 같이 빛의 속도를 파장과 주기(진동수 f의​ 역수)로 표현할 수 있다.

c = λ / T = λ f

​ 어떠한 물체도 빛보다 빨리 이동할 수는 없다. 상대성 이론의 근간인 광속불변의 원리란 어떤 관측자가 보아도(관측자가 빛의 속도에 가까운 우주선을 타고 있는 경우라도) 진공 중 빛의 속도 c는 변하지 않고 일정하다는 것이다. 하지만 빛이 물질을 지날 때는 진공에서의 속도보다 항상 느려진다. 즉, 빛이 어떤 매질을 투과하며 지나갈 때 그 속도는 진공 중 속도보다 항상 느려지게 되는데, 이때 빛의 속도가 얼마나 느려지는가를 통해 물질의 굴절률이 정의된다. 진공 중에서 빛의 속도를 c라 하고, n이라는 굴절률을 가지는 매질을 지나는 빛의 속도 v는 다음과 같이 기술된다.

n = c / ν

  또한, 참고로 물질에 따른 굴절률과 각 물질을 통과하는 빛의 속도를 산출해 보면 다음과 같다.

 

표 3-5-C-1. 물질에 따른 굴절률과 물질 내 빛의 속도

참고문헌

1. 석현정, 최철희, 박용근. 빛의 공학: 색채 공학으로 밝히는 빛의 비밀. 사이언스북스 2013: 14-6.​
2. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 8-9.

*1. Bureau International Des Poids et Mesures. Definition of the metre. Resolution 1. The 17th Conférence Générale des Poids et Mesures (1983). Comptes Rendus 1984: 97-8.
*2. Bureau International Des Poids et Mesures. Recommended value for the speed of light. Resolution 2. The 15th Conférence Générale des Poids et Mesures (1975). Imprimerie Durand 1976: 103.
*3. Giacomo P. News from the BIPM. Metrologia 1984; 20: 25.
*4. Terrien J. News from the Bureau International des Poids et Mesures. Metrologia 1975; 11: 179.

 

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레이저의 구조와 원리

B. 광자(photon)

I therefore take the liberty of proposing for this hypothetical new atom, which is not light but plays an essential part in every process of radiation, the name photon. -Gilbert N. Lewis, 1926-

 빛은 때에 따라서 파동성과 입자성 중 어느 한쪽을 보이는 이중성을 띤다. 빛은 파동의 성질로 본다면 전자기파에 해당하지만, 빛을 입자로 보았을 때의 이름은 광자(photon)이다. 1905년 Einstein은 광양자(light quantum)라는 용어를 사용하였으나, 이후 빛을 의미하는 그리스어 φώτο(photo)​에서 유래된 ‘photon’이라는 용어를 1926년에 Lewis가 제안한 이후 여러 사람들에 의해 사용되어 왔다.

 태양이나 전구, 모닥불이나 전파 송신기 등에서 방출되어 나오는 복사(radiation)를 가리켜 전자기파라고 한다. 이것은 초당 30만km의 빛과 같은 속도로 여행하는 광자로 구성된 에너지의 한 형태이며, 광자는 다른 이름으로 파동입자(wave particle) 또는 파동묶음(wave packet)으로도 불린다. 각각의 광자는 파장과 주파수(진동수)를 가지고 있는 파동의 형태로 존재하는 작은 에너지의 꾸러미인 것이다.

​ 여기서 파장(λ)과 주파수(ν)의 상호관계는 다음 공식과 같다.

​λ × ν ​= c

​ 진공 속에서의 빛의 속도 c는 일정하다. 하지만 굴절률이 n인 매질 속에서의 빛의 속도는 c/n로 진공 속에서의 속도보다 느리다. 다양한 파장을 가진 광자들은 서로 다른 에너지 준위를 가진다. 광자가 가진 에너지는 진동수에 비례하므로 다음과 같은 식으로 표시된다.

E =​ h × ν = h × c / λ

 ​즉, 광자의 에너지는 플랑크상수(h)에 진동수(ν)를 곱한 값이며, 광자의 파장이 길면 길수록 에너지는 낮아지고 짧으면 짧을수록 에너지가 높아진다.

참고문헌

*1. Einstein A. Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik 1905; 17 (6): 132–48.
*2. Kragh H. Photon: New light on an old name. History and Philosophy of Physics 2014: 1-16.
*3. Lewis GN. The nature of light. Proceedings of the National Academy of Science 1926; 12: 22-9.
*4. Lewis GN. The conservation of photons. Nature 1926; 118: 874-5.
*5. Troland LT. On the measurement of visual stimulation intensities. Journal of Experimental Psychology 1917; 2: 1-33.
*6. Tunér J, Hode L. Laser Therapy: Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 2-25.
 

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레이저의 구조와 원리