KIST "맥신 고속합성·산화방지 기술 개발…상용화 기대"

유기용매를 이용한 맥신 소재 고속 합성법

 

높은 전기전도도와 우수한 전자파 차폐 능력을 갖춰 미래 소재로 주목받는 '맥신( MXene )'의 상용화 가능성을 높이는 기술들이 개발됐다.

한국과학기술연구원( KIST ) 전자파설루션융합연구단은 성균관대 구종민 교수 연구팀과 공동으로 맥신을 수 시간 만에 빠르게 합성할 수 있는 기술과 맥신을 유기용매에 분산시켜 안정화할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.

맥신은 전이금속에 탄소나 질소를 결합해 2차원 평면구조로 만든 나노 소재로 전이금속을 다양하게 조합해 특성을 제어할 수 있고 전기전도도와 전자파 차폐 특성을 가져 전자장비, 미래 모빌리티, 군용 장비 소재로 주목받고 있다.

맥신은 고농도 불산 수용액을 이용해 전구체의 원소를 선택적으로 깎아 나가는 방식으로 만들어지는데, 합성에만 24시간 이상 걸리는 게 단점이었다.

연구단은 높은 끓는점을 가지는 유기용매를 이용해 반응 온도를 높이는 방식으로 4시간 만에  Ti ₃C₂맥신을 합성하는 공정을 개발했다.

이를 통해 합성 수율도 30~50%에서 70% 이상으로 높였다고 연구팀은 설명했다.

새로 개발된 맥신 소재의 전기전도도(가로축)와 강도(세로축)

이 공정은 맥신 표면 특정 분자 부분을 변형하게 되는데, 이를 통해 맥신으로 만든 필름의 인장강도가 30메가 파스칼( MPa )에서 160 MPa 이상으로 5~6배 강해지는 효과도 확인됐다고 연구팀은 덧붙였다.

연구 1 저자인 오태곤  KIST  박사는 "수천 가지 조합이 가능한 다양한 맥신 소재군에도 새로운 합성법을 적용해 기존에 접근이 어려웠던 맥신 소재를 실용화하는 게 목표"라고 말했다.

연구단은 맥신의 단점인 화학적 산화를 막기 위해 알킬화 도파유도체( ADOPA ) 기반 리간드로 표면을 재구성한 맥신도 개발했다고 밝혔다.

맥신은 표면에 물에 잘 섞이는 친수성 작용기가 많아 화학적 산화가 잘 일어난다. 

이 과정에서 점차 전기전도도를 잃는데, 이를 극복하기 위해 표면 작용기를 유기 리간드로 바꾸는 기존 시도들은 반응 조건이 가혹해 소재 자체 전기 전도도를 떨어트리는 문제가 있었다.

표면에 리간드를 붙인 맥신(위)와 그렇지 않은 맥신 유기용매 분산 비교

이번에 새로 설계한 리간드는 맥신 소재와 수소결합을 통해 달라붙어 전기전도도를 잃지 않는 특성을 지닌 것으로 나타났다.

이 소재의 전기 전도도는 6천 S / cm로 지금까지 보고된 맥신 유기 잉크 중 가장 높은 수준이라고 연구단은 강조했다.

관련 연구 결과는 최근 국제학술지 '스몰'과 '미국화학회지 나노' 표지논문으로 실렸다.