"Liu continues."

이 말은 이번 연구의 제1저자이자 킹스 칼리지 런던의 조교수로 부임 예정인 쉬 리우(Xu Liu)가 한 발언이다. 그녀는 MIT 연구진 및 메타 리얼리티 랩스(Meta Reality Labs)와 협력해 빛에 반응해 전도성이 변하는 유연한 젤을 개발하고, 이를 통해 '소프트 광-이오노트로닉스'라는 새로운 분야를 개척할 가능성을 제시했다.

우리가 사용하는 전자제품은 대부분 딱딱한 기판과 금속선으로 이루어져 있지만, 인간의 몸은 부드럽고 유연하다. 이 간극을 메우기 위해 연구팀은 전자가 아닌 이온의 흐름으로 데이터를 전송하는 방식을 택했다. 빛이라는 외부 자극을 통해 소재의 전기적 성질을 동적으로 제어함으로써, 딱딱한 하드웨어 없이도 신호를 처리할 수 있는 소재의 가능성을 확인한 것이다.

Nature Communications에 공개된 400배 전도성 변화

한 장의 실험 결과가 기존 전자 소자의 한계를 재정의하고 있다. MIT 재료과학공학과 연구진과 메타 리얼리티 랩스(Meta Reality Labs)는 최근 Nature Communications에 발표한 논문을 통해 빛을 쬐는 것만으로 전기 전도도가 최대 400배까지 변하는 유연한 젤 소재를 개발했다고 밝혔다. 연구를 주도한 토마스 J. 월린(Thomas J. Wallin) 교수를 비롯해 쉬 리우(Xu Liu), 스티븐 M. 아델먼드(Steven M. Adelmund), 샤리아 사파이(Shahriar Safaee), 원양 판(Wenyang Pan) 등 공동 연구진은 이 소재가 생체 조직과 전자 기기를 연결하는 차세대 인터페이스의 핵심이 될 것으로 보고 있다.

이번 연구의 핵심은 폴리우레탄 고무(Polyurethane rubber) 내부에 빛에 반응하는 광이온 생성 물질(PIG, Photo-ion generators)을 결합한 데 있다. 연구진은 PIG 분말을 용매에 녹인 뒤 고무 내부로 침투시키는 팽윤(swelling) 방식을 사용하여 소재를 최적화했다. 기존의 이온트로닉스(ionotronics, 이온을 통해 데이터를 전달하는 기술) 소재들이 높은 전도성을 가졌음에도 전도도를 제어할 수 없었던 것과 달리, 이 젤은 빛이라는 외부 자극을 통해 절연체 상태에서 전도체 상태로 동적인 전환이 가능하다. 빛이 조사된 지점은 이온이 활성화되어 전류가 흐르고, 빛이 닿지 않은 지점은 절연 상태를 유지하는 방식이다.

이 소재는 생명체의 신호 전달 방식과 유사한 이온 기반 통신을 활용한다는 점에서 주목받는다. 사람의 몸이 나트륨이나 칼륨과 같은 이온을 통해 세포 간 정보를 교환하듯, 이 유연한 젤은 부드러운 소재 안에서 복잡한 신호 처리를 수행할 수 있는 잠재력을 갖췄다. 현재 개발된 소재의 전도성 변화는 일방향적인 비가역적 특성을 띠고 있으나, 연구진은 향후 절연 상태와 전도 상태를 자유롭게 오가는 가역적 소재로 발전시킬 수 있을 것으로 내다봤다. 이는 단순히 소재의 물성을 바꾸는 것을 넘어, 소프트 로보틱스나 웨어러블 기기 등 인간과 기계가 유연하게 결합하는 새로운 하드웨어 환경을 구축하는 기술적 토대가 된다.

PIGs와 팽윤법을 이용한 이오노트로닉스 구현

전자기기 내부를 흐르는 전자가 금속 회로를 따라 이동한다면, 생체 시스템은 이온이라는 전하를 띤 분자를 통해 신호를 주고받는다. 이오노트로닉스(Ionotronics)는 바로 이 이온의 흐름을 제어하여 데이터를 전송하는 기술 분야다. 기존 전자공학이 단단한 하드웨어에 의존하는 것과 달리, 이오노트로닉스는 생체 조직과 유사한 부드러운 소재를 활용해 기계와 인간을 잇는 가교 역할을 수행한다. 이 기술의 핵심은 소재 내부에서 이온의 밀도를 얼마나 정밀하게 조절하느냐에 달려 있다.

연구진은 빛을 쪼이는 것만으로 이온의 상태를 변화시키는 광이온 생성기(PIGs, Photo-ion generators)를 활용해 이 문제를 해결했다. PIGs는 빛에 노출될 때 전도성이 최대 1,000배까지 급격히 상승하는 특성을 지닌 소재다. 연구팀은 이 PIGs 분말을 특정 용매에 녹인 뒤, 폴리우레탄 고무 소재에 침투시키는 팽윤법(Swelling method)을 적용했다. 고무 내부로 PIGs가 균일하게 스며들게 함으로써, 빛이 닿는 특정 지점의 이온 개체 수를 동적으로 제어할 수 있는 구조를 완성한 것이다.

이 구조의 동작 원리는 빛의 유무에 따른 국부적인 전도성 변화에 있다. 빛이 조사된 지점은 PIGs의 활성화로 인해 절연체 상태에서 전도체 상태로 즉각 전환되며, 빛이 닿지 않은 영역은 여전히 절연 상태를 유지한다. 이러한 방식은 별도의 물리적 스위치 없이도 빛이라는 외부 자극만으로 회로의 연결 여부를 결정할 수 있게 한다. 결과적으로 빛이 닿는 지점에서만 이온이 이동하며 신호가 처리되는 유연한 회로가 구현된다.

현재 개발된 소재는 빛을 받은 지점의 전도성을 이전보다 400배가량 높이는 성능을 보인다. 연구진은 단일 종류의 PIGs와 폴리우레탄 고무를 조합해 이 결과를 도출했으나, 향후 다양한 소재 조합을 통해 반응 속도와 전도 효율을 추가로 개선할 수 있는 가능성을 열어두었다. 이는 단순한 신호 전달을 넘어, 부드러운 소재 내부에서 복잡한 신호 처리가 가능한 차세대 이오노트로닉스 기기 개발의 토대가 된다.

기존 전자회로 및 이오노트로닉스 소재와의 차이

회로라면 당연히 딱딱해야 한다고 생각한다. 우리가 쓰는 스마트폰이나 컴퓨터 내부의 전자회로는 전자를 이동시키기 위해 단단한 구조를 가진다. 반면 이번에 개발된 소재는 이온(Ion), 즉 전하를 띤 분자를 이동시키는 이오노트로닉스(Ionotronics) 기술을 기반으로 한다. 우리 몸의 세포가 칼륨이나 나트륨 같은 이온으로 신호를 주고받는 방식과 유사하다. 딱딱한 전자 기반 구조에서 부드러운 이온 기반 구조로 전환한 것이다. 이는 기계와 생체 조직을 연결하는 인터페이스를 만드는 물리적 토대가 된다.

기존의 이오노트로닉스 소재는 이온의 빠른 이동을 돕는 높은 전도성을 가졌다. 하지만 이 전도성을 외부에서 정밀하게 제어할 방법이 없었다. MIT 연구팀은 여기에 빛이라는 제어 수단을 도입했다. 빛을 쪼이면 절연 상태였던 소재가 전도 상태로 전환되며 전도성이 최대 400배까지 높아진다. 연구팀은 포토-이온 생성기(PIG, photo-ion generators)라는 소재를 폴리우레탄 고무에 결합했다. PIG 분말을 용매에 녹인 뒤 팽윤(swelling)법을 통해 고무 내부로 침투시키는 방식을 썼다. 이 공정을 통해 빛을 쪼인 특정 지점만 전기가 통하게 만드는 선택적 제어가 가능해졌다. 빛을 받은 구역의 전구는 켜지고, 빛을 받지 않은 구역의 전구는 꺼지는 식이다.

현재 단계에서 이 소재의 전도성 변화는 비가역적(Irreversible)이다. 한 번 빛으로 전도성을 높이면 다시 원래의 절연 상태로 되돌릴 수 없다. 연구팀은 향후 버전에서 전도 상태와 절연 상태를 자유롭게 오가는 가역적 스위칭을 구현할 가능성을 제시했다. 이번 실험에는 한 종류의 PIG와 폴리우레탄 고무, 그리고 하나의 용매만 사용했다. 하지만 활용 가능한 PIG와 폴리머의 종류는 매우 다양하다. 빛 외에도 열이나 자기장 같은 다른 환경 자극에 반응하는 소재로 확장할 수 있다. 연구팀은 이를 소프트 포토-이오노트로닉스라는 새로운 하위 분야로 정의했다. 이 제어 기술은 웨어러블 기기와 소프트 로보틱스의 신호 처리 방식을 바꾸는 핵심 요소가 된다.

소프트 머신과 인간-기계 인터페이스로의 확장

우리가 쓰는 스마트워치나 의료용 센서는 보통 딱딱한 기판 위에 회로가 올라간 형태다. 인체는 부드럽고 유연하지만 이를 측정하는 전자 기기는 여전히 딱딱한 소재에 의존해 피부 밀착력이나 착용감에서 한계가 있었다. MIT와 메타 리얼리티 랩(Reality Labs) 연구진은 빛을 쬐면 전도성이 급격히 변하는 유연한 젤을 개발해 이 간극을 메운다. 이 기술은 소프트 웨어러블 기술과 인간-기계 인터페이스(HMI), 생의학(Biomedicine) 분야에 직접 적용된다. 전자의 흐름이 아닌 이온, 즉 전하를 띤 분자의 이동을 이용하는 이오노트로닉스(Ionotronics) 방식을 통해 딱딱한 전자 회로를 생체 조직과 유사한 부드러운 형태로 구현한 결과다. 우리 몸의 세포가 칼륨이나 나트륨 같은 이온으로 통신하는 방식과 유사한 체계를 기계 장치에 도입한 것이다.

토마스 J. 월린(Thomas J. Wallin) MIT 교수는 소프트 소재 내부의 국소 이온 개체 수를 동적으로 제어하는 메커니즘을 찾아냈다. 기존의 이오노트로닉스 소재는 전도성이 높더라도 이를 외부에서 정밀하게 조절하기 어려웠으나, 이번 연구는 빛이라는 자극을 통해 전도성을 제어한다. 외부 자극에 따라 소재 스스로가 상태를 바꾸는 자가 적응(Self-adaptive) 특성을 갖게 된다. 이는 별도의 복잡한 외부 제어 장치 없이도 소재 자체가 환경 변화를 감지하고 반응하는 복잡한 신호 처리 시스템을 구축할 수 있음을 뜻한다. 실무적인 관점에서 보면 하드웨어의 물리적 형태가 고정되지 않고 주변 환경에 맞춰 전기적 특성을 최적화하는 인터페이스를 설계할 수 있는 기반이 마련된 셈이다.

현재는 빛에 반응하는 광-이온 생성기(PIGs) 분말을 용매에 녹여 폴리우레탄 고무에 침투시키는 팽윤법을 사용해 소재를 만들었다. 논문의 제1저자인 쉬 리우(Xu Liu)는 빛 외에도 열이나 자기장 같은 다른 환경 자극에 반응하는 소재로 발전시킬 수 있다고 밝혔다. 폴리우레탄 고무나 용매, PIG의 종류를 다양하게 조합하면 자극의 종류와 반응 속도를 정밀하게 설정할 수 있기 때문이다. 연구진은 이를 통해 소프트 로보틱스와 의료용 로봇의 구동 방식을 바꾸는 소프트 머신(Soft Machine) 구현을 목표로 한다. 기계가 인간의 피부처럼 부드러우면서도 외부 환경에 따라 스스로 전도성을 조절해 움직이거나 신호를 전달하는 구조다. 연구진은 이러한 기술적 진보를 묶어 소프트 광-이오노트로닉스(Soft Photo-ionotronics)라는 새로운 하위 학문 분야를 창출하겠다는 계획이다.

한국 AI 및 로보틱스 실무자를 위한 시사점

기존의 웨어러블 센서는 딱딱한 회로 기판을 피부에 밀착시키기 위해 접착제나 물리적인 고정 장치를 사용했다. MIT 연구팀은 광이온 생성기(PIG, Photo-Ion Generator) 분말을 용매에 녹여 폴리우레탄 고무에 침투시키는 팽윤법을 통해 유연 젤을 제작했다. 구리 전극을 연결한 젤 바에 빛을 조사하면 특정 지점의 전도성이 최대 400배까지 급격히 상승하며 전구에 불이 들어오는 식의 회로 구성이 가능하다. 피부 밀착형 센서의 특정 지점에 빛을 조사해 전도성을 선택적으로 제어하면 데이터 전송 경로를 최적화하고 효율을 높일 수 있다. 하드웨어의 물리적 강성이 생체 조직과 충돌하며 발생하던 데이터 손실과 착용감 저하 문제를 소재의 광학적 제어로 해결하는 방식이다.

로봇 팔의 관절을 움직이려면 지금까지는 소형 모터와 이를 연결하는 구리 전선 뭉치가 필수적으로 들어갔다. 이번 연구에서 제시된 소프트 포토-이오노트로닉스(Soft photo-ionotronics) 기술은 전선 없이 소재 자체의 전도성 변화만으로 구동되는 유연 액추에이터 구현을 가능하게 한다. 빛이라는 외부 자극에 반응해 소재 내부의 국소적인 이온 분포를 동적으로 제어함으로써 물리적 변형을 유도하는 구조다. 토마스 월린(Thomas J. Wallin) 교수는 이를 통해 환경 자극에 스스로 적응하는 자가 적응형 시스템을 구축할 수 있다고 설명한다. 모터와 전선이 차지하던 부피와 무게를 덜어내고 소재 자체가 구동기가 됨으로써 로봇의 외형이 생물체에 더 가깝게 설계될 수 있다.

인체 세포는 칼륨이나 나트륨 같은 이온을 통해 전기적 신호를 주고받으며 정보를 전달한다. 기존의 전자공학이 전자의 흐름을 제어했다면 이오노트로닉스(Ionotronics)는 전하를 띤 분자인 이온을 활용해 데이터를 전송하는 방식이다. MIT 연구팀은 이온 통신 방식을 통해 전자 회로와 생체 조직 사이를 잇는 가교를 구축했다. 이 기술을 바이오 인터페이스에 적용하면 기계적 신호를 생체 신호와 유사한 이온 형태로 변환해 전달할 수 있어 신호 전달의 정밀도가 향상된다. 현재는 빛을 이용하지만 향후 열이나 자기장 같은 다른 환경 자극에 반응하는 소재로 확장될 가능성도 열려 있다. 인체 내 이식형 의료 로봇이나 정밀 의료 기기가 생체 조직과 더 밀접하게 상호작용하며 정밀한 제어를 수행하는 하드웨어적 기반이 마련된 셈이다.

빛을 통해 전도성을 400배 높인 이번 유연 젤 개발은 웨어러블 기기가 직면한 물리적 성능 한계를 구체적인 수치로 극복했다. 기존 유연 전도체들이 겪어온 전도 효율 저하 문제를 광학적 제어라는 방식으로 해결하며 하드웨어의 유연성과 전기적 성능을 동시에 확보했다. 이는 인체 밀착형 소자가 실제 상용화 단계로 진입하기 위해 필수적이었던 소재의 안정성과 효율성을 동시에 입증한 결과다. 결국 차세대 전자소자의 경쟁력은 형태의 유연함을 유지하면서도 전도 효율을 정밀하게 제어하는 기술력에서 결정된다.