연평균 20% 폭풍 성장 글로벌 레이저 시장…2031년 3조 원 규모
록히드마틴·라파엘 등 강자 속 韓 한화시스템, ‘다크호스’로 부상
에폭시 녹이는 고열부터 가시선 한계까지 기술 특허로 애로점 돌파
“SF가 현실로”…보병용 백팩형부터 산 너머 타격 ‘거울 드론’까지
▲비대칭 레이저 전술 개념도. 그림=구글 생성형 AI 제미나이 재구성
▲영국의 레이저 무기 '드래곤 파이어'. 사진=영국 국방부
현대 전장(戰場)에서는 수천만원짜리 자폭 드론 군집을 막아내기 위해 한 발에 수십억 원짜리 대공 미사일을 발사하는 '군사비 비대칭 무기' 전략을 감수하고 있다.
이처럼 드론과 로켓, 미사일이 뒤섞여 날아오는 복합 공중위협이 일상화 된 전쟁터에서 각국 군 당국과 방위산업계는 교환비가 맞지 않는 상황을 해결하기 위해 지향성 에너지 무기(DEW)인 '레이저 무기(Laser Weapon)'에 눈을 돌리기 시작했다.
지난 1960년 미국의 물리학자 시어도어 메이먼이 세계 최초로 루비 레이저를 개발한 이후 '유도 방출로 인한 빛의 증폭'(LASER:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 원리를 무기화하려는 시도는 강대국들의 오랜 꿈이었다. 빛의 속도로 날아가기에 사실상 회피(방어)가 불가능하고, 곡선을 그리는 탄도 궤적이 아닌 직진 경로 특성상 명중률이 압도적이다. 무엇보다 탄약 고갈의 공포 없이 전력만 공급하면 무한정 쏠 수 있다는 게 최대 장점이다.
우리나라도 레이저 무기 개발에 열외는 아니다. 영국의 최신 레이저 무기 '드래곤 파이어'가 1발당 약 1만7000원의 비용을 자랑하지만 한화시스템이 100% 국산화해 서울 용산에 실전 배치한 20킬로와트(㎾)급 레이저 대공무기 '천광'의 1발당 사격 비용은 2000원 남짓에 불과하다. 때문에 혁신성을 바탕으로 글로벌 레이저 무기 시장은 폭발적으로 성장 중이다.
글로벌 시장 조사 기관 QY 리서치에 따르면, 글로벌 레이저 무기 시장은 2025년 7억4300만달러에서 연평균 20.35%씩 팽창해 오는 2031년 22억5700만달러(약 3조원) 규모에 이를 전망이다.
미 육군의 300㎾급 'IFPC-HEL'과 해군의 'HELIOS'를 이끄는 록히드마틴·보잉, 이스라엘의 '아이언 빔(Iron Beam)'을 개발한 라파엘 등 전통의 방산 공룡들이 격돌하는 이 거대한 군수시장에서 한화시스템이 특허기술을 무기로 도전장을 내밀었다.
올해 2월 전 세계 무기 수입의 30%가 집중된 중동의 심장부 사우디아라비아 리야드에선 중동 최대 방산전시회 'WDS 2026'이 열렸다. 이 자리에서 한화시스템은 레이저 무기 '천광 블록-I'을 전면에 내세웠다.
윤석열 정부 시절 서울 용산 대통령실에 고정형으로 실전 배치된 바 있는 천광은 기동성을 대폭 높인 차량 탑재형(블록-II)과 함정·항공기용(블록-III)으로 진화를 거듭하고 있다.
▲혼성 빔 결합 및 수냉식 냉각 통합 개념도. 그림=구글 생성형 AI 제미나이 재구성
◇100㎾급 출력을 향한 '열(熱)과의 전쟁'…빛을 엮고 열을 식히다
한화시스템이 출원하고 확보한 방대한 기술 특허에는 이들이 어떻게 세계 최고 수준의 기술적 우위를 점했는지를 보여주는 치열한 혁신의 궤적이 드러난다.
수 ㎞ 밖 표적의 외피를 순식간에 녹여버리려면 현재 전술 레이저의 주류인 '고체 광섬유(Fiber) 레이저'의 출력을 100㎾급 이상으로 끌어올려야 한다. 하지만 단일 광섬유 하나로 이 정도 출력을 내면 내부의 온도가 치솟아 굴절률이 뒤틀리는 '열 렌즈(Thermal lens)' 현상이 일어나 빛의 품질이 무너지거나 매질 자체가 타버린다. 결국 여러 가닥의 중간 출력 레이저를 하나로 묶는 '빔 결합' 기술이 필수적이다.
문제는 수백 개의 빔을 합칠 때 위상(빛의 파동)이나 주파수가 조금이라도 어긋나면 출력이 오히려 상쇄된다는 점이다. 한화시스템은 이를 해결하기 위해 이른바 '혼성 빔 결합' 특허를 완성했다. 빛의 파동을 일치시키는 '결맞음 빔결합', 서로 다른 파장을 프리즘 같은 회절격자로 묶어내는 '파장 제어 빔 결합', 그리고 수직·수평 편광을 합치는 '편광 결합'을 하나의 시스템에 계층적으로 연동시킨 것이다.
모든 채널을 한 번에 통제하면 제어기에 막대한 과부하가 걸리지만 이 세 가지 기술을 융합함으로써 제어 부담을 획기적으로 분산시키고 고품질의 결합 빔을 폭발적으로 뿜어낼 수 있게 됐다.
출력이 높아진 만큼 발생하는 맹렬한 고열은 무기의 생존을 위협하는 가장 큰 적이다. 열이 쌓이면 주변 공기가 가열돼 빛이 아지랑이처럼 흩어지는 '열 번짐(Thermal Blooming)'이 일어난다. 특히, 굵은 대구경 광섬유들을 이어 붙이는 '융착부(Splicing)'에 발열이 집중되면 공기 입자 자체가 파괴되어 플라즈마화 되면서 레이저의 직진을 막아버리는 '에어 브레이크다운(Air Breakdown)' 현상까지 발생한다. 기존처럼 접착제로 붙이거나 단순 방열판을 대는 것으로는 어림도 없었다.
한화시스템은 발상을 전환해 융착부 자체가 차가운 냉각수 유로에 직접 잠겨 흐르도록 만드는 '수냉식 직접 냉각' 특허를 고안했다. 펄펄 끓는 용광로의 심장에 얼음물을 붓듯, 극한의 열을 즉각 빼앗아 열 변형을 원천 차단했다. 동시에 빛이 강하게 집속되는 렌즈 시스템 구간을 아예 진공 상태(진공셀)로 만들어 에어 브레이크다운 현상마저 없앴다.
거대한 냉각 설비의 덩치를 줄인 공간 혁신도 눈부시다. 100㎾급 출력을 감당하려면 트레일러만 한 냉동기가 필요하지만 한화시스템은 상변화 물질(PCM)을 이용해 대기 시간 동안 차가운 에너지를 펜타데칸(Pentadecane) 같은 특수 물질에 미리 비축해 두는 '축냉식 냉각 장치'를 도입했다. 발사하는 짧은 순간에 비축된 냉기를 폭발적으로 방출해 냉동기의 부피를 획기적으로 줄였다.
여기에 수㎞에 달하는 증폭용 광섬유를 밖에서 안으로, 다시 안에서 밖으로 실타래를 얽듯 4중으로 겹쳐 꼬아버리는 '사중 나선 코일링' 기술을 더해 배선 공간을 압축했다. 납작하게 감긴 광섬유가 냉각 패널에 빈틈없이 밀착되어 열을 순식간에 식혀준다. 육중한 트럭에나 실리던 무기가 장갑차나 소형 전술차량에도 탑재될 수 있는 진정한 '기동형 레이저 무기'로 진화한 비결이다.
▲레이저 무기체계 냉각 시스템 개념도. 그림=구글 생성형 AI 제미나이 재구성
◇흔들리는 전장, '광학 노이즈 캔슬링'으로 바늘 구멍 뚫다
울퉁불퉁한 험지를 내달리는 기동 플랫폼 위에서 시속 수백㎞로 회피 기동하는 적 드론의 동전만 한 취약점을 수 초간 끈질기게 지져야 하는 레이저 무기에게 흔들림은 곧 요격 실패와 동의어다. 플랫폼의 미세한 진동이 수 ㎞ 밖에서는 수십 미터의 오차로 벌어지기 때문이다.
기존에는 차량 진동과 표적의 움직임을 하나의 고속 추적 거울(FSM)로 동시에 보정하려다 보니 연산 과부하로 렌즈가 구동 범위를 벗어나는 오류가 잦았다. 거울을 두 개로 나누어 쓰자니 거울끼리 움직임이 간섭되어 초점을 잃었다. 한화시스템은 이 난제를 '푸리에 영역 위상 정합(Fourier domain phase correlation)'이라는 고도의 수학적 알고리즘으로 풀어냈다.
카메라 영상에서 요동치는 배경 노이즈를 외부 소음을 상쇄하는 '노이즈 캔슬링(Noise Canceling)' 이어폰처럼 걸러내고, 순수한 표적 중심부의 미세 이동량만 0.001초 단위로 발라내는 기술이다. 나아가 두 거울이 서로 간섭하지 않도록 미리 오차를 계산해 상쇄하는 '보상 행렬(Compensation Matrix)' 알고리즘을 주입했다. 두 거울이 유기적으로 동기화돼 출렁이는 전장 위에서도 표적을 자석처럼 끈질기게 물고 늘어지는 압도적 타격 능력을 완성했다.
거리에 따라 초점을 잃어버리는 렌즈 시스템의 구조적 한계도 뛰어넘었다. 일반적인 비축(Off-axis) 반사망원경은 렌즈 축이 어긋나 있어 먼 곳은 잘 맞추지만, 500m 안팎으로 코앞까지 다가온 드론에는 빔의 초점이 흐려져(광학 수차 발생) 화력이 급감하는 맹점이 있었다.
한화시스템은 빛의 경로가 일치하는 '동축(On-axis) 쿠데 광학 시스템'을 설계하고, 부반사경을 오목 렌즈 형태로 만들어 빛을 렌즈 내부에서 두세 번에 걸쳐 완만하게 확산시킴으로써 광학 왜곡을 대폭 줄였다. 그 결과 수 킬로미터 밖 원거리부터 초근접 표적까지 모두 동일한 고품질의 빔으로 정밀 타격할 수 있게 됐다.
이 과정에서 표적까지의 거리를 재는 레이저 거리측정기(LRF)와 야간 조명기를 빛을 굴절시키는 '광학 쐐기(Optical wedge)'라는 부품 하나로 통합해 렌즈 시스템의 군살을 빼냈다. 특히, 무거운 조명용 레이저를 따로 다는 대신 타격용 부반사경의 위치를 앞뒤로 미세하게 움직여 레이저 빔의 발산 각도를 넓힘으로써 타격용 레이저를 거대한 '조명기'로 대체해버리는 기발한 특허까지 적용했다.
▲기동 플랫폼 탑재 초정밀 지향·빔 제어 시스템. 그림=구글 생성형 AI 제미나이 재구성
◇“산 너머 쏘고, 셀 수 없이 많아지는 암호 경호의 수"…상식 파괴하는 비대칭 전술
한화시스템의 특허에는 현대전의 전술 개념을 송두리째 바꿀 차세대 아이디어들이 촘촘히 박혀 있다.
빛은 무조건 직진하기 때문에 산이나 건물, 지평선 너머에 숨은 적(비가시선 표적(NLOS, Non-Line-of-Sight))은 공격할 수 없다는 것이 레이저 무기의 최대 약점인 가시선(LOS, Line of Sight) 한계다. 한화시스템은 반사 거울과 짐벌 카메라를 장착한 무인기(드론)를 하늘에 띄우는 기발한 '빔 경로 변경 장치' 전술을 특허로 냈다.
지상의 레이저 무기가 공중의 아군 드론 반사경을 맞추면 드론이 표적 간의 3차원 위치를 계산해 반사경의 '법선 벡터(Normal Vector, 반사각)'를 실시간으로 미세 조정한다. 사각지대의 적에게 빛을 '당구 쿠션' 치듯 튕겨 내리꽂는 것이다. 은폐된 적을 타격하면서도 아군의 발사 원점은 숨길 수 있는 혁신적 전술이다.
실전 배치 시 반드시 고려해야 할 '안전'과 '통신 보안' 문제 역시 치밀한 화학과 광학의 융합으로 잠재웠다. 기존 1㎛ 파장의 고출력 레이저는 빔이 대기 중의 먼지나 수증기에 부딪혀 산란될 경우 이를 바라본 아군이나 민간인의 망막을 태워 영구 실명을 유발할 위험이 컸다. 이는 UN의 '특정 재래식 무기 금지 협약(실명 레이저 무기 금지)' 위반 소지까지 있는 민감한 사안이다.
이를 피하려면 인체에 닿아도 각막과 수정체에서 흡수되어 망막까지 투과되지 않는 1.5㎛ 이상의 '눈 안전 파장(Eye-safe)'을 써야 한다. 하지만 기존 대구경 라만 광섬유를 쓰면 파장이 길어지기 전 빛이 찢어지고 왜곡되는 '영분산(Zero-dispersion)' 지점을 통과하며 빔이 망가지는 한계가 있었다.
한화시스템은 광섬유에 '이산화 게르마늄'을 50~80%라는 극한의 비율로 특수 첨가해 영분산 지점을 아예 1.6㎛ 장파장 대역 너머로 이동시켰다. 시력을 보호하면서도 드론을 격추할 수 있는 무기급 고출력이 비로소 가능해진 것이다.
적의 해킹과 역추적을 막는 통신 보안 기술도 압도적이다. 아군 전투기나 정밀 유도 무기에 표적의 위치를 점 찍어 알려주는 '레이저 표적 지시기'는 기존에 레이저 빛의 깜빡임(펄스) 간격만을 조절해 암호화(PIM)를 했다. 이는 경우의 수가 24개에 불과해 적군이 쉽게 패턴을 읽어내고 아군의 위치를 역추적할 위험이 컸다. 한화시스템은 KTP(Kotassium-Titanyl-Phosphate)·KDP(Kinetic Data Processor) 같은 비선형 결정(OPO, Optical Parametric Oscillator) 파장 변환기를 결합해 펄스의 간격뿐만 아니라 펄스마다 빛의 '파장(색깔)'까지 무작위로 섞어 쏘는 '다중 파장 펄스 변조(WDM-PIM, Wavelength Division Multiplexing-Protocol Independent Multicast)' 특허를 냈다.
적군 입장에서는 시간과 색깔이라는 두 가지 변수를 동시에 풀어야 하므로, 암호 해독 경우의 수가 단숨에 천문학적으로 폭증한다. 전장에서의 해킹을 원천 차단한 '언크래커블(Uncrackable)' 시스템을 빛으로 구현한 셈이다.
◇보병이 메고 쏘는 '모듈형 레이저 소총'…다층 방공망의 룰 세터로
▲한화시스템의 보병용 휴대형 '레이저 소총' 무기체계가 등장한 전장 환경 상상도와 개념도. 그림=구글 생성형 AI 제미나이 재구성
이러한 극한의 소형화와 열 제어·정밀 조준 기술이 향하는 궁극적인 종착점은 보병 개개인이 직접 운용하는 '휴대용 레이저 무기'다.
최근 한화시스템이 확보한 특허에 따르면 집채만 한 거대한 레이저 시스템을 △레이저 발진기 △빔 집속기 △제어 영상 처리기 △냉각기 △전원 공급기 등 각각 80㎏ 이하의 '도수 운반'이 가능한 5개의 조립식 모듈로 분할하는 데 성공했다.
차량이 진입할 수 없는 험준한 산악 지형이나 고층 빌딩 옥상으로 병사들이 모듈을 들고 올라가 즉석에서 레고 블록처럼 조립해 쓸 수 있다. 무거운 배터리와 냉각기는 병사가 '백팩'처럼 등에 메고, 레이저 발사기는 익숙한 '소총' 형태로 손에 들고 쏜다. 이때 보병이 험지에서 들고 쏠 때 필연적으로 발생하는 거친 호흡과 손떨림마저 총기 손잡이에 내장된 3축 가속도 및 자이로 센서가 감지해 낸다.
센서가 물리적 떨림을 읽어내면 '역진 연산 좌표' 알고리즘이 멤스(MEMS) 기반의 압전 액추에이터를 구동해 총기 내부의 타격용 반사 거울을 0.001초 만에 흔들림의 역방향으로 꺾어(틸팅) 보정한다. 보병이 거친 숨을 몰아쉬며 들고 쏴도 백발백중의 명중률을 담보하는 '스마트 레이저 소총'의 개념이 완성된 것이다. 보병 한 명이 움직이는 든든한 방공망이 되며, 국가 중요 시설을 지키는 대테러 무기로도 손색이 없다.
물론 레이저 무기에는 비가 오거나 구름이 낀 기상 조건에 열에너지를 뺏겨 위력이 반감되고, 벌떼처럼 몰려오는 군집 드론을 상대로는 한 대씩 순차적으로 요격해야 하는 '시간적 한계'가 분명히 존재한다.
이 같은 연유로 현대전에서 레이저는 단일 무기체계로 쓰이기보다 전자기파 무기와 전자전, 전통적 대공화망이 겹겹이 방어막을 치는 소위 '다층 복합 방호 체계'의 핵심 정밀 타격 자산으로 통합될 때 진정한 위력을 발휘한다.
3㎞ 밖에서는 재밍으로 적의 회로를 마비시키고 2㎞ 내로 진입한 표적은 그물형 드론으로 포획하며, 최종 방어선인 1㎞ 내외에서 고출력 레이저가 잔존 위협을 정밀하게 태워버리는 빈틈없는 무기체계다.
사우디아라비아 등 중동 국가들은 국가 전략인 '비전 2030'을 통해 현지 공동 생산과 기술 이전을 통한 방산 생태계의 자립을 열망하고 있다. 한화시스템이 WDS 2026에서 차세대 레이다·AI 복합 솔루션과 함께 첨단 레이저 무기를 전면에 내세운 것은 수백 건의 촘촘한 특허와 원천 기술력을 바탕으로 글로벌 방산 생태계의 자립을 이끄는 '전략적 파트너'가 되겠다는 자신감의 표출이다.
이로써 날씨·조준·부피·가시선 등 물리적 한계를 하나하나 극복하며 솟아오른 한화시스템의 '빛의 무기'는 글로벌 방산 시장의 새로운 룰 세터(Rule Setter)로 자리매김할 것으로 예상된다.
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