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- 새롭게 개발된 기어, 머리카락보다 가늘다
- 기어는 일반적인 전기 모터나 자기장이 아닌 레이저 광으로만 구동된다
- 신용카드 크기의 칩 실험실(단 몇 제곱센티미터의 작은 공간에서 실험실 전체 실험을 가능하게 하는 시스템)에 설치할 수 있다.

빛으로 구동되는 초소형 기어
새롭게 개발된 기어, 머리카락보다 가늘다

예술품? 박테리아? 세포? 우표? 둘 다 아니다. 이 사진은 미세한 기어를 보여준다. 지름이 16마이크로미터에 불과한 기어 부품은 머리카락보다 작으며, 머리카락의 두께는 약 50~80마이크로미터이다. 

▲ 이 기어의 크기는 단 16마이크로미터다. © Gan Wang

기어는 자동차 변속기, 산업 장비, 광산 등 다양한 용도로 사용된다. 안티키테라 메커니즘은 고대 사람들이 이미 지렛대를 이용하여 기계, 이 경우에는 아날로그 컴퓨터를 구동하는 데 기어를 사용했음을 보여준다.

시간이 지남에 따라 엔지니어들은 맞물리는 부품의 크기를 "줄이고" 탑 시계뿐만 아니라 회중 시계에도 기어를 통합하는 데 성공했다. 그러나 지금까지 소형화에는 한계가 있었다. 30년 넘게 연구자들은 100㎛(마이크로미터)보다 작은 기어를 제작하기 위해 노력했지만, 이 크기에 적합한 구동 기술은 존재하지 않았다.

▲ a. 캡이 있는 기둥을 사용하여 유리 칩에 고정된 메타표면을 포함하는 링 모양의 메타로터를 특징으로 하는 광학 구동 마이크로모터의 개략도. b–e 마이크로모터 제작 공정을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(축척 막대: 5μm): b. 전자빔 리소그래피를 통해 Si 메타표면을 나노 가공한다. 삽입 그림은 메타표면을 구성하는 메타 원자를 확대한 것입니다. c. 메타표면을 포함하는 SiO2 링을 에칭한다. d. 중앙 기둥과 e. 캡은 SU-8 마이크로리소그래피를 사용하여 제작한다. (출처:Published: 20 August 2025 / Microscopic geared metamachines / nature communications)

레이어별

예테보리 대학교의 간 왕(Gan Wang)이 이끄는 연구팀은 여기에 보이는 기어를 개발했다. 연구진은 실리콘과 석영 부품의 작은 블록을 얇은 실리콘 디스크(소위 웨이퍼)에 적용했다. 그런 다음 전자빔 리소그래피를 사용하여 재료를 형상화했다.

이렇게 하여 기어의 전형적인 톱니, 중앙 기둥, 그리고 둥근 모양을 구현했다. 이를 통해 연구진은 직경 16~20㎛의 기어를 제작할 수 있었다.

▲ a–d SEM 이미지(위 패널)와 광학 현미경 이미지(아래 패널)는 직경이 다른 수동 기어를 추진하는 구동 기어 역할을 하는 메타로터의 이미지입니다(b–d). 메타로터의 회전은 빨간색 화살표로 표시되고, 구동 기어의 회전은 흰색 화살표로 표시. e 구동 기어(ωm)와 구동 기어(ωp) 사이의 각속도의 평균 비율은 직경의 비율에 따라 달라진다. f–h 동일한 직경을 가진 구동 기어 열을 구동하는 단일 구동 기어의 SEM 이미지(위 패널)와 광학 현미경 이미지(아래 패널)다. f N = 3, g N = 4, h N = 5 동일한 직경을 가진 총 기어(구동 기어 포함) Dm = Dp. i 기어 열의 기어 수 N에 대한 구동 기어 ω = ωm = ωp의 각속도. 점선은 ω/N을 나타낸다. e와 i의 오차 막대는 각 조건에 대한 세 번의 측정값의 표준 편차를 나타낸다. 스케일 막대: 10μm. (출처:Published: 20 August 2025 / Microscopic geared metamachines / nature communications)

레이저 빔 제어

이러한 기어를 구동하기 위해 연구진은 미니 기어 중 하나에 또 다른 특수 기능을 추가했다. 이 기어는 일반적인 전기 모터나 자기장이 아닌 레이저 광으로만 구동된다. 이는 재료에 특수 구조가 새겨져 있어 빛을 다양한 방식으로 굴절시켜 토크를 생성할 수 있기 때문이다. 세 번째 기어의 매트와 같은 메타구조가 보인다.

연구팀은 이러한 기어로 일종의 모터를 제작했다. 왕 박사는 "빛으로 제어되는 기어가 전체 체인을 움직이는 기어 트레인을 제작했다"고 설명했다. "이 기어는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하고, 주기적인 운동을 수행하며, 미세 거울을 제어해 빛을 굴절시킬 수도 있다.“

이 기어는 레이저 빛으로 쉽게 제어되고 빛의 편광으로 회전 방향까지 결정할 수 있기 때문에, 이 작은 모터는 가장 작은 기계에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 신용카드 크기의 칩 실험실(단 몇 제곱센티미터의 작은 공간에서 실험실 전체 실험을 가능하게 하는 시스템)에 설치할 수 있다. 연구진은 이 기어가 의학 분야에도 사용될 수 있다고 밝혔다.

참고: Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-62869-6

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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