[충청뉴스 이성현 기자] 2차원 나노 신소재 ‘맥신(MXene)’을 탄생 단계에서부터 원하는 모양과 기능으로 맞춤 설계하는 원천 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 반도체대학원 권순용 교수와 물리학과 최은미 교수 연구팀이 맥신의 전 단계 초기 원료 물질인 ‘MAX 전구체’의 탄소 조성을 미세하게 조절해, 최종 맥신의 나노 구조와 전기·화학적 기능을 합성 단계에서 선택적으로 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.
차세대 전자기기가 6G 통신, 자율주행 차량용 레이다, 고집적 패키징 등 초고주파 환경(sub-THz 대역)으로 빠르게 전환되면서 전자파 간섭(EMI)으로 인한 오동작을 막아줄 초박막 차폐 기술은 국가 안보 및 산업의 핵심 과제로 부각됐다.
기존 금속이나 페라이트 계열 차폐재는 20GHz 부근까지만 유효할 뿐 더 높은 주파수에서는 효율이 급감하고 무겁고 딱딱해 폴더블·롤러블 등 유연 전자기기 적용에 제약이 컸다.
이에 가볍고 전기전도도가 뛰어난 맥신이 대안으로 꼽혀왔으나 용도에 맞게 맥신의 구조를 변형하려면 합성 후에 별도의 템플릿이나 첨가제를 넣어야 해 공정이 복잡하고 효율이 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 '천이금속-알루미늄-탄소' 합금 전구체 구조에서 탄소의 조성 범위를 좁은 범위 안에서 정밀하게 조절하는 방식으로 격자 변형과 산소 치환 정도를 유도해 맥신의 형태를 미리 프로그래밍했다.
실험 결과 탄소가 풍부한 조건에서는 격자 응력이 완화된 고결정성 ‘평면 나노시트’ 구조가 형성됐다.
이 평면 시트는 금속성에 가까운 높은 전기전도도를 기록하며 8마이크로미터(μm) 두께 필름 기준으로 100GHz 초고주파 대역에서 108dB이라는 탁월한 전자파 차폐 성능과 함께 반경 2.5mm에서 5000회 이상 구부려도 성능을 유지하는 압도적인 유연성을 나타냈다.
반대로 탄소가 부족한 조건에서는 압축 응력에 의해 박리 과정에서 자발적으로 돌돌 말린 ‘나노 스크롤’ 구조가 형성됐다.
이 구조는 내부 층간 통로가 확장돼 전해질 이온의 이동 속도를 극대화했다. 이를 슈퍼커패시터에 적용한 결과 3M 황산 전해질에서 고정전용량을 기록함과 동시에 1만2000회 충·방전 후에도 99.4%의 용량을 유지하는 압도적인 고속 에너지 저장 성능을 입증했다.
이번 성과는 연구팀이 지난해 세계 최초로 전구체의 탄소 일부를 질소로 치환해 극초박막 광대역 차폐 성능을 이끌어냈던 원천 기술을 한 단계 더 진화시킨 결과다.
지난해 연구가 화학적 치환으로 전도성과 차폐 성능의 한계를 뚫어낸 단계였다면 올해 연구는 첨가제 없이 전구체 자체의 원자 배열 조율만으로 형태와 응용 분야를 두 갈래로 나눈 ‘구조 프로그래밍’ 단계로 도약했다는 평가를 받는다.
연구팀은 향후 단순히 전자파를 반사해 2차 통신 간섭을 일으키는 기존 금속 방식을 넘어 전자파를 내부에서 완벽히 흡수해 소멸시키는 복합소재 개발로 연구를 확장할 계획이다.
특히 흡수 시 발생하는 열을 빠르게 방출하는 방열 기능까지 갖춘 올인원(All-in-one) 3차원 네트워크 구조를 구현하고, 이를 페인팅 형태로 손쉽게 도포할 수 있는 액상 기술까지 완성하겠다고 포부를 밝혔다.
권순용 교수는 "올인원 다기능 차폐 소재의 공정 단순화와 대량 생산의 교두보가 될 것"이라며 "실용화를 위한 비용 절감과 내구성 검증을 거쳐 차세대 스마트폰, 자율주행차, 항공우주 산업 등 첨단 시스템의 신뢰성을 획기적으로 높이겠다"고 설명했다.
