빛으로 구동되는 기어: 의학을 위한 가장 작은 모터 구축

소형화 추세는 다양한 산업 전반에 스며들고 있습니다.

특히 전자, 인공지능, 우주, 의료 등 다양한 분야에서 더 작고, 더 효율적이며, 더 강력한 장치를 만들기 위한 노력이 진행 중입니다.

소형화 개념은 단순히 더 작은 제품과 장치를 제조하는 것을 의미합니다. 이는 가볍고, 더 컴팩트하며, 휴대가 가능한 제품을 제공하고, 성능 향상과 비용 절감을 가져와 접근성 및 혁신을 증진시킵니다.

기계식 장치의 소형화는 실제로 나노기술을 발전시키고 장치의 환경 영향을 줄이는 핵심입니다. 그러나 부품의 구조적 특성이 축소됨에 따라 복잡성이 증가합니다.

메카트로닉스 분야에서 연구자들은 지난 수십 년간 기어와 마이크로모터와 같은 핵심 기계 부품을 소형화하기 위해 노력해 왔습니다. 그러나 이러한 공학적 시도는 약 0.1밀리미터(mm) 정도에서 한계에 부딪혔습니다.

이는 그와 같은 작은 규모에서 구동계와 커플링 시스템을 구성하는 데 복잡성이 존재하기 때문입니다.

하지만 예테보리 대학교 연구팀이 마침내 이를 달성할 대안을 찾았습니다. 네이처(Nature)에 발표된 ‘Microscopic geared metamachines’라는 연구는 광 메타표면(OM)을 이용해 미세 기계를 국소적으로 구동하는 접근법을 상세히 설명합니다.

새로운 접근법은 표준 리소그래피 방식을 사용해 제작할 수 있으며 칩에 원활히 통합되어 연구자들이 수십 마이크로미터(μm) 수준의 크기와 서브 마이크로미터 수준의 정밀한 움직임을 구현할 수 있게 합니다.

개념 증명에서 팀은 단일 구동 기어에 의해 구동되는 미세 기어 트레인을 구축했으며, 평면 광파에 의해 활성화된 메타표면을 사용했습니다. 또한 주기적 움직임을 수행하고 회전 운동을 변환하며 빛 편향을 위한 미세 거울을 제어할 수 있는 “다목적 피니언 및 랙 마이크로머신”을 개발했습니다.

칩 내 제작 공정은 간단한 통합을 가능하게 합니다. 동시에 쉽게 제어 가능한 에너지원으로서 빛을 사용함으로써 소형 메타머신은 정밀한 움직임과 제어를 제공하며, 이는 마이크로 및 나노 규모 시스템에 새로운 가능성을 열어준다고 연구는 언급합니다.

기계 시스템 소형화로 고도화된 미니어처화

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고대 물레에서 현대 로봇, 단순 시계에서 복잡한 자동차에 이르기까지 기어는 어디에나 존재하며 인간 기술의 발전을 반영합니다.

이러한 기어 메커니즘은 맞물린 기어가 움직임, 힘, 전력을 전달하여 작업을 효율적으로 수행하는 시스템입니다. 자동차, 항공우주, 로봇공학 등 다양한 분야에서 핵심적인 이 시스템은 속도를 변화시키고 기계적 이점을 높여 정밀한 제어를 제공합니다.

현재 기어 기술은 마이크로미터 규모로 소형화하는 데 초점을 맞추고 있으며, 이는 폐기물을 줄이고 재료 효율성을 향상시킬 것입니다.

이는 아직 도달하기 어려운 길이 스케일을 기계화하고 탐구할 새로운 가능성을 열어줄 것입니다. 예를 들어, 시스템을 소형화하면 마찰 및 표면 상호작용에 대한 깊은 이해를 제공하고, 고성능 마이크로플루이딕 장치와 재구성 가능한 광학 기술과 같은 혁신을 가능하게 합니다.

현재 이와 관련된 노력은 회전이 가능한 작은 물체인 개별 마이크로모터를 만드는 데 집중되어 있습니다. 이를 구동하기 위해 정전 및 교류 전기장, 광장, 자기장과 같은 메커니즘이 탐구되었습니다.

하지만 문제는 실제로 작동하는 작은 기어 메커니즘에 마이크로모터를 통합하는 것이었으며, 이는 확장 가능한 접근법의 필요성을 낳았습니다.

최신 연구 돌파구는 빛으로 직접 구동될 수 있는 작은 기어를 만들어, 칩 내 적용을 위한 가장 작은 모터 구축을 가능하게 하는 해결책을 제시합니다.

연구에 따르면, 최근 활성 물질 분야의 진전은 방향성 광산란을 통해 측면 광력을 생성하는 메타표면을 이용해 비집중 광으로 작은 차량을 이동시켰습니다.

이러한 나노구조를 평행 배열한 마이크로 차량은 선형 편광광 아래에서 전진하는 것이 입증되었습니다. 또한 스핀 각운동량 전달을 통한 편광광으로 제어할 수 있습니다.

또한 산란체를 원형 배열하면 선형 편광광 아래에서 회전이 가능함이 입증되었습니다. 더욱 진보된 설계는 네 개의 개별 주소 지정 가능한 손잡이 플라스몬 나노안테나를 사용하여 이중 파장 광을 적용함으로써 2차원 전방향 움직임 제어를 가능하게 합니다.

이러한 진전을 바탕으로 팀은 지속적인 조명 하에서 작동하는 광 메타표면에 의해 구동되는 기어 메커니즘을 만들었습니다.

메타표면은 특별히 설계된 초박형 2D 소재로, 파장보다 작은 구조로 이루어져 전자기파의 위상, 진폭, 편광을 조절합니다. 이러한 파장을 정밀하게 형성함으로써 메타표면은 렌즈, 홀로그래픽 디스플레이, 고급 센서, 효율적인 에너지 수집 및 향상된 무선 통신 시스템과 같은 응용을 가능하게 합니다.

여기서 광 메타표면(OM)은 부피가 큰 광학 부품의 병목 현상을 해결할 유망한 후보를 제공합니다. 공명 나노구조의 산란을 기반으로 빛을 조작하는 새로운 방식을 제공하여 효율적인 위상, 편광 및 방출 제어를 가능하게 합니다.

광 메타물질을 기어에 직접 마이크로칩에 삽입하기 위해 팀은 표준 포토리소그래피를 사용했습니다.

포토리소그래피는 빛을 이용해 포토마스크의 기하학적 패턴을 실리콘 웨이퍼와 같은 기판 위의 감광성 물질(포토레지스트)으로 전사하는 미세 제조 공정입니다. 이 과정은 반도체에 나타나는 복잡한 패턴을 만드는 핵심입니다.

기어에 사용된 재료는 직경이 수십 마이크로미터(특히 0.016 μm) 정도인 실리콘이며, 팀은 실리콘을 사용했습니다.

실리콘(Si)은 현대 기술에 필수적인 요소로, 마이크로칩과 트랜지스터의 핵심 반도체 재료 역할을 합니다. 팀은 포토리소그래피와의 호환성을 이유로 이를 주요 재료로 사용하여 대규모 제조를 용이하게 했습니다.

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작은 기계로 의학 혁신

전통적인 기계 방식을 사용하지 않고, 예테보리 대학교 연구팀은 레이저 빛을 이용해 회전뿐 아니라 방향 전환 및 미세 기계 구동까지 가능한 미세 기어를 제작했습니다.

이 모터는 머리카락 한 가닥 안에 들어갈 정도로 작습니다. 이러한 진전은 인간 세포 크기만한 미래형 의료 도구로 이어지길 기대합니다.

이번 돌파구를 통해 연구자들은 마이크로 엔진을 구동하는 작은 구동계를 구축하는 데 0.1mm에서 정체되던 한계를 구동계를 완전히 없앰으로써 극복했습니다.

미세 기계는 레이저 빛에 의해 구동됩니다. 이를 위해 팀은 광 메타물질을 사용했으며, 이는 매우 정밀하고 작은 규모에서 빛을 포획하고 제어할 수 있는 복잡한 패턴의 작은 구조물입니다.

메타물질에 레이저를 비추면 연구자들은 기어 휠을 회전시키고, 레이저 빛의 강도를 조절해 속도를 제어합니다. 또한 빛의 편광을 조정함으로써 기어 휠의 방향을 바꿀 수 있습니다.

“우리는 빛으로 구동되는 기어가 전체 체인을 움직이는 기어 트레인을 구축했습니다. 이 기어는 회전을 직선 운동으로 변환하고, 주기적 움직임을 수행하며, 미세 거울을 제어해 빛을 편향시킬 수 있습니다.”

– Gan Wang, 연구의 제1저자이자 대학 연성 물리학 연구원

미세 기계를 칩에 직접 통합하고 빛으로 구동하는 이 능력은 흥미로운 새로운 가능성을 열어줍니다.

우선, 레이저 빛은 제어가 용이하고 기계와 고정 접촉이 필요 없기 때문에 연구자들은 복잡한 마이크로시스템으로 확장 가능한 마이크로모터 구축에 한 걸음 더 다가섰습니다.

“이는 미세 규모에서 역학을 생각하는 근본적인 새로운 방식입니다. 부피가 큰 커플링을 빛 기반으로 교체함으로써 우리는 마침내 크기 장벽을 극복할 수 있습니다.”

– Wang

또 다른 가능성은 미세 및 나노 기계를 사용해 작은 입자를 조작하거나 랩온칩 시스템에 통합하여 생물학적 시스템을 평가하는 것입니다.

광을 널리 이용 가능하고 생체 적합성 에너지원으로 사용하면 마이크로모터가 세포, 박테리아 및 기타 생물학적 물질을 조작하는 데 적합합니다.

이 시스템은 물과 조직에 대한 흡수가 낮은 표준 1064 nm 레이저를 사용했으며, 그 결과 생물 샘플에 대한 손상을 최소화합니다. 또한 빛은 몇 mW 수준의 낮은 전력 요구량으로 작동해 생물 시스템에 안전한 임계값 내에 있습니다.

특히 빛을 구동 기어에 선택적으로 전달함으로써 생물 샘플을 직접 빛에 노출시킬 필요가 없습니다. 이러한 간접적이고 무해한 에너지 전달 메커니즘은 생의학 환경에서 빛 구동 메타머신 및 마이크로모터의 적용 범위를 확대합니다.

보다 구체적으로, 미세 기어는 유체 흐름을 조절하거나 약물 전달 시스템을 제어하는 데 도움이 될 수 있습니다.

기어 휠이 16~20 μm로 인간 세포 크기와 비슷하므로, 새로운 마이크로모터는 인체 내부에서 다양한 흐름을 조절하는 펌프로 사용될 수 있으며, 개폐 가능한 밸브 역할도 할 수 있습니다.

게다가 여기서 사용된 복잡하고 다단계의 칩 내 제작 공정은 널리 사용되는 CMOS(상보성 금속산화물 반도체) 리소그래피와 호환되어 플라스몬 센서 및 메탈렌즈와 같은 다른 CMOS 부품과 원활히 통합될 수 있습니다.

마이크로미터 규모의 빛 구동 기어를 통해 이 연구는 마이크로 및 나노 규모 기계 시스템에서 획기적인 능력을 약속합니다. 그러나 사전 설계된 메타표면에 의존하는 한계가 있어 동적 움직임 조정이 제한됩니다.

이를 해결하기 위해 연구자들은 바나듐 디옥사이드(VO2)와 같은 상변화 물질을 메타표면 설계에 통합할 것을 제안했습니다. 이는 빛, 온도, 전기장 등 외부 자극에 따라 광학 특성을 실시간으로 재구성할 수 있게 합니다.

또한 TiO2와 같은 대체 메타표면 재료를 제안해 작동 파장을 가시광선 영역으로 확장하고, 이는 광학 보정을 간소화하며 시스템의 적응성, 성능 및 다양한 환경에서의 적용성을 향상시킬 수 있습니다.

소형화의 의료 진출

소형화는 수십 년 동안 전자 분야를 혁신해 왔습니다. 더 작고, 에너지 효율이 높으며, 고성능 장치의 제작은 스마트폰, 웨어러블, 통신 시스템의 발전을 가능하게 했습니다.

하지만 이는 의료 분야에서도 마찬가지로 중요합니다. 소형 기계는 더 높은 정밀도를 제공하며, 이러한 도구는 진단을 개선할 뿐 아니라 세포 수준에서 새로운 치료법을 가능하게 하고 의료 접근성을 높일 수 있습니다.

따라서 연구자들은 소형화를 의료에 확대하는 방안을 탐구하고 있습니다.

예테보리 메타표면 기어가 구동계를 없애 작동 병목을 해결한 것처럼, 또 다른 팀은 센서를 기계에 직접 내장함으로써 해결했으며, 이는 지능형 소형 장치의 실제 적용을 위한 길을 열고 있습니다.

중국 화중과학기술대학 통합 회로학부와 무한대광학국 연구팀은 무선 로봇 센싱 및 조작을 위한 소형 자기-초음파 기계를 개발했습니다.

이 연구는 미세 규모에서 센싱과 구동의 호환성 문제를 해결하여, 생물 의학 응용을 크게 진전시킬 수 있는 지능형 소형 시스템 개발을 방해하는 문제를 다룹니다.

해결책으로 연구자들은 내장형 초음파 연성 센서(EUSS)와 자기 구동기를 결합한 새로운 접근법을 제안했습니다. EUSS는 부드럽고, 컴팩트하며, 경량 설계로, 무게가 4.6밀리그램이고 크기가 1.3 mm x 1.3 mm x 1.6 mm이며, 크기와 변형성 모두에서 연성 및 경성 부품과 호환됩니다.

또한 팀은 온보드 트랜스듀서를 설계하고 외부 자기장 외에 수동 초음파 통신을 사용해 힘, 진동, 온도 및 점도를 무선으로 감지하고 조절할 수 있게 했습니다.

토끼와 돼지에서 테스트했을 때, 이 장치는 정확한 약물 투여, 생리 모니터링 및 로봇 피드백 제어를 제공함을 확인했습니다.

또 다른 사례로 EPFL 연구자들은 뇌-기계 인터페이스(BMI)의 효율성과 확장성을 향상시킨 소형화된 뇌-기계 인터페이스(MiBMI)를 개발했으며, 이는 중증 운동 장애를 가진 개인에게 제어와 소통을 회복할 유망한 방법을 제공합니다.

작고 저전력인 이 시스템은 이식형 적용에 적합하며, 최소 침습성으로 환자 안전을 보장합니다. 기록 및 처리를 두 개의 매우 작은 칩에서 수행하는 완전 통합 시스템입니다.

“MiBMI는 복잡한 신경 활동을 고정밀도와 저전력으로 읽을 수 있는 텍스트로 변환할 수 있게 해줍니다. 이 진전은 중증 운동 장애를 가진 개인의 의사소통 능력을 크게 향상시킬 수 있는 실용적인 이식형 솔루션에 한 걸음 더 다가가게 합니다.”

– Mahsa Shoaran, EPFL 통합 신경기술 연구소(INL)에서 이 장치를 개발한 연구원

소형화 기술 미래에 대한 투자

시장 가치가 1,226억 달러인 Medtronic (MDT )은 마이크로 센서, 구동기, 로봇 보조 장치 등 의료 기기 포트폴리오가 광범위하고, 시장 가치가 120억 달러인 Lumentum Holdings (LITE )는 광학 및 포토닉 분야를 선도하고 있습니다. 오늘은 SiTime Corporation (SITM )의 투자 잠재력을 살펴보겠습니다. 이 기업은 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템)의 규모와 칩에 통합되는 방식을 상업적으로 보여줍니다.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime은 전자 제품에서 정밀 타이밍을 위해 제품을 제공하는 아날로그 및 반도체 기업입니다.

이번 주에 SiTime Corporation은 기존 퀄츠 대비 약 4배 작은 MEMS 공진기 제품군인 Titan Platform을 출시했다고 발표했습니다. 회사에 따르면 이는 “전례 없는 소형화”를 가능하게 하고, 소형 배터리 구동 장치에 통합되어 의료 기기, 웨어러블, 산업용 IoT 분야의 다음 혁신 물결을 이끌 것입니다.

시가총액이 거의 80억 달러에 달하는 SiTime의 주가는 현재 $306.5에 거래되고 있으며, 연초 대비 42.3% 상승했습니다. 작년 4월에는 SITM 주가가 $100 이하였으며 이후 323% 이상 급등했습니다. 또한 이번 4월 저점 이후 106% 이상 상승했으며, 이는 사상 최고치를 기록한 광범위한 주식 시장 흐름과 일치합니다.

재무적으로, 회사는 2025년 2분기에 순매출이 58% 증가한 6,950만 달러를 기록했습니다.

GAAP 기준 총이익은 3,610만 달러, GAAP 운영비용은 6,070만 달러, GAAP 순손실은 2,020만 달러이며, 희석 주당 $0.84 손실입니다. 한편, 비GAAP 기준 총이익은 4,050만 달러, 비GAAP 운영비용은 3,330만 달러, 비GAAP 순이익은 1,160만 달러이며, 희석 주당 $0.47 이익입니다.

“SiTime의 주요 시장 전반에 걸친 지속적인 모멘텀은 고성능 애플리케이션에 대한 우리의 집중이 효과적임을 보여줍니다. 통신, 엔터프라이즈, 데이터 센터(CED) 시장 매출이 전년 대비 137% 성장했으며, 이는 AI가 정밀 타이밍 솔루션에 대한 강력한 수요를 창출한 결과입니다.”

– CEO Rajesh Vashist

회사는 이번 분기를 총 현금, 현금성 자산 및 단기 투자액 7억 9,670만 달러로 마감했습니다.

최신 SiTime Corporation  (SITM) 주식 뉴스 및 개발

결론

마이크로 엔지니어링은 미세 시스템에 대한 우리의 기계적 접근 방식을 혁신할 잠재력이 있으며, 마이크로미터 규모의 기어 제작에 대한 최신 돌파구가 이를 가능하게 합니다. 새롭게 개발된 작은 빛 구동 기어는 인간 세포 크기의 기계를 구동함으로써 의학을 혁신할 것을 약속합니다.

이는 소형화가 전자에서 의료로 전환되는 모습을 반영하며, 기술을 축소하는 것이 효율성뿐 아니라 완전히 새로운 가능성을 열어주는 것임을 보여줍니다.

시간이 지나면서 이러한 장치는 점점 더 작아지고 기능이 향상되어, 언젠가 인체 내부에서 원활히 작동하는 자율 마이크로시스템을 구현할 길을 열 것입니다. 이 시스템은 흐름을 조절하고, 약물을 전달하며, 세포 수준에서 조직을 복구할 수도 있습니다.

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참고문헌:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 16:7767. (Version of Record), 2025년 8월 20일 출판. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation. Science Robotics, 10(106). (Version of Record), 2025년 9월 17일 출판. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). A 2.46‑mm² miniaturized brain–machine interface (MiBMI) enabling 31‑class brain‑to‑text decoding. IEEE Journal of Solid‑State Circuits, 59(11), 3566–3579. (Version of Record), 2024년 11월 출판. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>