전북대학교 권한중 교수팀(신소재공학부)과 성균관대학교 구종민 교수팀(신소재공학부)으로 구성된 공동 연구팀이 첨단 전자기기 등이 폭넓게 활용될 수 있는 차세대 신소재인 ‘맥신(MXene)의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 연구 성과를 발표해 주목을 받고 있다.

맥신(MXene)은 금속 층과 탄소 층이 교대로 쌓인 2차원 나노 물질로, 전기 전도성이 뛰어나 ‘꿈의 신소재’로 불린다. 하지만 지금까지는 제조 과정에서 원자 배열에 미세한 구멍(공공)이나 산소가 불필요하게 달라붙는 등 ‘결함’이 생겨, 소재의 성능이 금방 떨어지거나 공기 중에서 쉽게 변질되는 단점이 있었다.

전북대·성균관대 공동연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위해 ‘전구체 기반 결함 공학’이라는 새로운 전략을 통해 맥신의 전자파 차폐, 열 발생(줄 열), 그리고 열 감지 회피(적외선 스텔스) 성능을 대폭 향상시켰다. 이번 연구 결과는 맥신 소재가 가진 고질적인 문제였던 낮은 안정성과 성능 저하 문제를 해결함으로써 미래형 전자소자 및 국방 기술 분야에 새로운 이정표를 제시했다는 평가를 받는다.

이번 연구는 성균관대 투파일 하산(Tufail Hassan) 박사와 전북대 이도연 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 나노 분야의 세계적 권위지인 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters, IF 36.3)’에 게재됐다.

연구팀은 맥신을 만들기 전 단계인 ‘전구체’ 물질부터 정밀하게 제어하여 이러한 결함을 최소화했다. 마치 옷감의 실 조직을 처음부터 촘촘하게 짜서 구멍이 나지 않도록 만든 것과 같다. 이렇게 결함이 최소화된 맥신은 기존보다 훨씬 뛰어난 전기전도도(26,000 S/cm)와 열전도도(57 Wm-1K-1)를 나타냈다.

그 결과, 10마이크로미터(µm)라는 매우 얇은 두께에서도 스마트폰이나 통신 장비의 오작동을 막는 ‘전자파 차폐’ 성능이 90.5dB에 달하는 세계 최고 수준의 결과를 보였다. 또한, 아주 낮은 전압(1.5V)만 걸어주어도 263°C까지 순식간에 열이 발생하는 우수한 효율을 보였으며, 주변 온도보다 복사 온도를 낮추어 적외선 카메라에 포착되지 않게 하는 ‘열 감지 회피(스텔스)’ 성능까지 완벽하게 구현했다.

특히 주목할 점은 안정성이다. 기존 맥신은 물에 분산하면 산화현상으로 인하여 시간에 따라 성능이 급격히 떨어졌으나, 이번에 개발된 맥신은 일년(12개월)이 지나도 95% 이상의 성능을 유지하는 탁월한 산화안정성 및 내구성을 입증했다.

구종민 교수는 “이번 연구는 원자 수준에서 결함을 제어하는 것이 소재의 전체적인 성능과 수명을 결정짓는 핵심임을 밝혀낸 것”이라며 “앞으로 첨단 전자 기기, 에너지 소자, 그리고 적외선 위장이 필요한 국방 산업 등 다양한 분야에서 맥신의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 나노 및 소재사업, 기초연구실사업, 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.