기계공학과 이영훈 교수 연구팀이 차세대 소프트 전자기술 분야에서 잇따른 연구 성과를 도출했다. 이영훈 교수 연구팀은 최근 이온트로닉스(iontronics)를 주제로 한 리뷰 논문과 자연모사형 자가발전 장치에 관한 연구 논문을 세계적 학술지 『Advanced Materials(IF=26.8)』에 연이어 발표했다. 이와 함께 한국연구재단의 ‘신진연구(유형 B)’, ‘신진연구자 인프라 지원사업’에 선정되며 총 9억 원 규모의 연구비를 확보했다.

이온트로닉스 기반 생체부착형·삽입형 자가구동 소자 연구 동향과 후속 연구 방향 제시

이온트로닉스는 전자 대신 전하를 띠는 입자인 이온의 움직임을 이용해 신호를 전달하거나 전기를 만들어내는 차세대 이온성 소재 기반의 전자기술이다. 부드럽고 유연한 소재를 활용할 수 있어 피부, 눈, 체내 조직처럼 민감한 환경에도 잘 적용되며, 웨어러블 기기와 차세대 의료기기 분야의 핵심 기술로 주목받고 있다.

이영훈 교수 연구팀의 첫 번째 연구는 이온성 소재의 디바이스화를 위해 해결해야 할 핵심 과제와 향후 연구 방향을 제시하고, 생체부착형·생체삽입형 소자 분야의 연구 동향을 체계적으로 정리했다. 특히 인체와 직접 맞닿거나 체내 환경에서 작동해야 하는 바이오 전자 소자에 요구되는 생체친화성, 유연성, 신축성, 자가구동성의 중요성을 조명하고, 차세대 의료기기 개발을 위한 연구 방향을 제시했다.

연구팀은 특히 대부분 물과 이온으로 이루어진 이온성 소재의 특성과 구조, 작동 원리를 체계적으로 정리하고, 의료 응용 사례를 폭넓게 다뤘다. 이영훈 교수는 “이온성 소재가 지닌 신축성, 생체친화성, 이온전도성의 특성을 바탕으로 향후 웨어러블 의료기기 분야의 후속 융합연구를 위한 학술적 기반을 마련했다”며 의의를 설명했다.

알로에 본떠 만든 자가발전 장치 개발, 전하 출력 236% 높아져

두 번째 연구로 이영훈 교수 연구팀은 알로에의 생존 전략에서 착안한 물방울 기반 에너지 수확 기술을 개발했다. 알로에는 강수량이 적은 건조 환경에서 생존하기 위해, 드물게 내리는 빗물을 효율적으로 모아 뿌리 쪽으로 전달하는 잎 구조를 지닌다. 길고 둥글게 휘어진 잎의 중앙에는 길게 패인 홈 형태의 유로가 형성된다. 표면의 발수 특성에 더해 적은 양의 물도 손실을 최소화하며 뿌리 쪽으로 유도한다. 이영훈 교수 연구팀은 이러한 자연 현상에 주목해 알로에 잎을 모사한 친환경 물방울 발전기(Droplet Electricity Generator, DEG)를 개발했다.

연구팀은 알로에 잎의 구조적 특징을 반영해 미끄럼틀과 같은 곡면 구조와 물을 쉽게 밀어내는 친환경 소수성 표면을 발전기에 구현했다. 이 구조는 물방울이 전극 방향으로 자연스럽게 미끄러지며 넓게 퍼지도록 유도했고, 에너지를 수확할 수 있는 영역을 크게 넓혔다. 그 결과 기존 물방울 발전기 대비 전하 출력이 약 236% 향상되는 성과를 거뒀고, 이러한 차별성을 바탕으로 학술적 성과도 인정받았다.

이영훈 교수는 “두 연구 결과는 이온트로닉스 기반 바이오 전자기술의 학문적 방향을 제시하는 동시에, 자연모사 설계를 통해 실제 자가발전 소자의 성능 향상을 입증했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다. 리뷰 논문 작성에 참여한 최경태 학생은 “지도교수님의 많은 가르침 덕분에 연구 문헌 조사부터 본문 작성까지 마무리할 수 있었다. 특히 이번 연구 결과에서 미래 융합연구 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다. 학부연구생을 계기로 연구를 시작한 이기범 학생은 “반복되는 실험에서 원하는 결과를 얻기까지 많은 시간과 노력이 필요했지만, 연구실 구성원의 지도와 조언이 큰 힘이 됐다”고 말했다.

“연구 주제와 독창성 인정받아, 공동연구 플랫폼으로 역할할 것”

연구력을 인정받은 이영훈 교수는 한국연구재단에서 진행하는 과제도 수주했다. ‘스마트 콘택트렌즈 조작을 위한 안구–공간 모션 기반 초저전력 멀티모달 센싱 이온성 인터페이스 개발’을 통해 신진연구(유형 B) 과제를 수주했다. 눈깜빡임과 시선 이동 같은 안구 움직임을 전기 신호로 바꿔, 스마트 콘택트렌즈를 손으로 만지지 않고도 조작할 수 있는 자가발전 센서를 개발하는 연구다.

기존 스마트 콘택트렌즈 연구가 주로 화면 구현 기능에 집중돼 있었다면, 이번 과제는 실제 사용 편의성을 높일 수 있는 입력 기술에 주목한다. 정전마찰과 정전유도 원리를 활용해 별도의 전력 소모를 최소화하면서도 눈의 미세한 움직임을 감지할 수 있는 센서 구현이 목표다. 이영훈 교수는 “눈에 직접 닿는 장치의 특성을 고려해, 센서는 얇고 투명하며 안전하고 발열이 거의 없는 형태로 개발할 예정”이라며 연구 방향을 공유했다.


‘분리 제작·조립 한계를 극복하는 모놀리식 일체형 이오닉 소프트 디바이스 구현을 위한 다물질 고해상도 4D 프린팅 인프라 구축’을 주제로는 신진 연구자 인프라 지원사업을 수주했다. 차세대 이오닉 소프트 디바이스 구현을 위한 핵심 제작 기반을 마련하기 위해 다물질 고해상도 4D 프린터를 도입할 계획이다. 이 장비는 환경 반응성을 지닌 서로 다른 물성의 소재를 하나의 구조 내에 정밀하게 통합할 수 있어, 체내에서 작동하는 초소형 이오닉 소프트 디바이스 개발에 필수적이다.

연구팀은 음식물이 식도를 따라 내려갈 때 발생하는 마찰과 압박 에너지를 전기로 바꾸고, 이를 소화기관의 연동운동을 돕는 데 활용하는 자가발전형 체내 디바이스를 구상하고 있다. 다물질 고해상도 4D 프린터는 초소형·고정밀·유연 구조를 동시에 구현할 수 있는 첨단 제작 기반으로, 향후 생체삽입형 디바이스와 이오닉 소프트 시스템 연구의 핵심 기반이 될 전망이다.

이영훈 교수는 “연구 주제의 독창성뿐만 아니라 연구 수행 역량을 높게 평가받아 기쁜 마음이다. 특히 다물질 고해상도 4D 프린터는 국내에 구축되지 않은 첨단 제작 인프라로 향후 교내외 공동연구를 확산하는 플랫폼이 될 것”이라고 강조했다.