안녕하세요 여러분!
'꿈의 신소재'라 불리는 맥신(MXenes)의 대량생산이 가능해질 것이란 관측이 나오면서 관련업계에의 이목이 집중되고 있는데요. 한국과학기술원의 연구결과를 이번 '한입상식' 포스팅에서는 '꿈의 신소재' 맥신(MXenes)에 대해 알아보도록 하겠습니다.
Contants
1. 맥신(MXenes)이란?
2. 맥신, KIST 최신연구성과
3. 맥신의 과거, 현재, 미래
'꿈의 신소재' 맥신
맥신(MXenes)이란?
맥신(MXenes)은 나노물질의 한 유형으로, 이들은 이차원(2D) 탄화물 소재의 그룹을 나타냅니다. 맥신은 금속 원소로 구성된 이차원적인 탄화물 구조로서, 맥신이라는 이름은 이러한 소재의 화학식을 나타내기 위해 선택된 용어입니다.
맥신(MXenes)은 처음으로 2011년에 미국 뉴저지 연방대학교의 연구진에 의해 발견되었습니다. 이 소재는 금속 침탄된 이차원 탄화물 구조로, 금속 층과 탄화물 층 사이에 존재하는 이온적인 결합을 특징이며 이러한 특성으로 인해 맥신은 뛰어난 전기 및 열 전도성, 높은 기계적 강도, 화학 안정성 등을 갖추고 있습니다.
맥신(MXenes)은 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 에너지 저장 장치인 슈퍼캐패시터, 배터리, 및 연료 전지의 전극 소재로 활용되거나, 전자기기의 뛰어난 전기적 특성을 활용하여 전자 소자로서 사용될 수 있습니다. 또한 맥신은 전자파 차폐 소재, 전자기파 흡수 소재, 및 강화 복합재료의 구성 성분으로서도 연구되고 있습니다.
나노기술 및 소재과학 분야에서 혁신적인 연구가 계속되고 있는 분야 중 하나로 간주됩니다. 그러나 제품 개발 및 실용화 단계에서는 여전히 다양한 과제와 연구가 진행 중이며, 앞으로의 연구에 따라 더 많은 응용 분야에서 활용될 것으로 예상됩니다.
'꿈의 신소재' 맥신
2. 맥신, KIST 최신연구성과
최근 한국과학기술연구원 최신연구성과 보도자료는 아래와 같습니다.
- 꿈의 신소재 맥신의 KIST 한·인도협력센터 연구진, 맥신 표면에 붙은 분자의 자기수송 특성 활용한 분석 모델 개발
- 물성 예측 및 분류 시스템 구축해 균일한 품질의 맥신 생산 활용 기대
2011년 개발된 맥신(MXene)은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 높은 전기전도성 갖추고 여러 금속화합물과 조합할 수 있어 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용할 수 있는 소재이다.
맥신을 제대로 활용하기 위해선 표면에 덮인 분자의 종류와 양을 아는 것이 중요한데, 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 전자파 차폐 효율이 떨어진다. 하지만 두께가 1nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과해 표면에 붙은 분자를 분석하기 위해서는 고성능 전자현미경으로도 수일이 소요돼 지금까지 대량생산이 불가능했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 한‧인도협력센터 이승철 박사 연구팀은 맥신의 자기수송(Magnetoresistance) 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 밝혔다.
이 방법을 활용하면 간단한 측정으로도 맥신의 분자 분포를 분석할 수 있게 되어 생산과정에서 품질관리가 가능해지고, 이를 통해 지금까지 불가능했던 대량생산의 길이 열릴 것으로 기대된다.
연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과, 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다.
개발된 물성예측 프로그램을 통해 맥신의 표면을 분석한 결과, 자기수송에 영향을 미치는 홀산란인자(Hall Scattering Factor)가 표면 분자의 종류에 따라 극적으로 변한다는 점을 예측했다. 홀산란인자는 반도체 물질의 전하 운반 특성을 나타내는 물리적인 상수로, 동일한 맥신을 제조하더라도 홀산란인자는 불소인 경우 가장 높은 2.49, 산소의 경우 0.5, 수산화물의 경우 1의 값을 보인다는 것을 확인했으며, 이를 통해 분자의 분포를 분석할 수 있었다.
맥신은 홀산란인자 값에 따라 응용 분야가 달라지는데 1보다 낮은 값을 가진 경우 고성능 트랜지스터, 고주파 생성 소자, 높은 효율의 센서 그리고 광검출기 등에 활용이 가능하며, 1보다 높은 값을 가지면 열전소재, 자기센서 등에 응용할 수 있다. 맥신의 크기가 수 나노미터 이하임을 고려하면 응용가능한 소자의 크기 및 필요 전력량을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
KIST 한‧인도협력센터 이승철 센터장은 “순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 표면 분자 분석에 새로운 방법을 개발한 것에 의의가 있다”며, “이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다”고 밝혔다.
KIST 한‧인도협력센터는 2010년 설립되어 계산과학을 위한 이론, 소스코드 및 소프트웨어 분야에서 연구를 수행하고 있다. 특히, 소스코드는 모델링 및 시뮬레이션 등이 가능한 알고리즘을 구현하는 프로그래밍 언어로써 계산과학 분야에서 원천연구에 해당하며, 인도봄베이공과대학(IIT Bombay) 등 인도의 대학 및 연구기관과 소스코드 개발을 위한 협력연구를 수행하고 있다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 운영되는 KIST 주요사업(2Z06950)으로 수행된 본 연구는 독창성과 확장 가능성을 인정받아 나노과학 분야 국제 학술지인 ‘Nanoscale’ (IF 6.7)의 올해의 주목할 만한 논문(2023 Hot Article Collection)으로 선정됐으며, 6월 28일 게재됐다.
'꿈의 신소재' 맥신
3. 맥신, 현재 그리고 미래
초기 연구는 맥신의 기반을 마련하였고, 나중에 다양한 분야에서의 활용 가능성을 끌어냈습니다. 현재, 맥신은 나노기술 및 소재과학 분야에서 주목받고 있는 중요한 연구 주제 중 하나로 다양한 연구진과 기업들이 맥신의 특성을 활용하여 다양한 응용 분야에서의 가능성을 연구하고 개발하고 있습니다.
에너지 저장, 전자 소자, 화학 및 환경 분야에서의 응용을 중심으로 맥신을 활용하는 연구가 진행 중이며, 실제 제품 및 기술로의 전환을 위해 노력이 계속되고 있습니다. 맥신의 우수한 전기 및 열 전도성, 기계적 강도, 화학적 안정성 등의 특성이 현재의 연구와 응용 개발을 뒷받침하고 있습니다.
맥신은 미래에 더욱 높은 관심과 연구가 기대되는 분야 중 하나입니다. 기존 응용 분야에서의 활용은 물론, 새로운 응용 분야에서의 가능성도 미래에 더욱 확대될 것으로 기대가 되며, 에너지 저장 기술의 혁신, 전자 소자의 발전, 환경 문제의 해결, 바이오의학 분야의 발전 등 다양한 분야에서 기존 기술의 한계를 넘어서는 역할을 할 수 있을 것으로 예측됩니다.
또한 연구와 기술 개발이 계속 진행됨에 따라 맥신의 특성이 더욱 미세하게 조절되고 새로운 형태의 맥신이 개발될 가능성아 높으며 이러한 발전은 미래의 과학과 기술 발전을 주도할 중요한 역할을 할 것으로 전망되고 있습니다.
요약하자면, 맥신은 과거의 발견으로부터 현재의 연구와 응용 개발, 미래의 혁신적인 가능성까지 넘어선 나노물질로서, 다양한 분야에서 기존 기술을 발전시키고 새로운 기술을 가능하게 하는 역할을 할 것으로 기대되어집니다.
지난 17일 한국과학기술원(KIST) 이승철 박사 연구팀은 맥신의 자기수송 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발, 대량생산 가능성이 열렸다고 밝힌 바, 맥신은 우수한 전도와 전자파 차폐 능력을 가지고 있어 미래 신소재로 주목받고 있으나 대량생산이 어렵다는 단점이 있었습니다.
하지만, 한국과학기술원(KIST) 연구팀 방법이 활성화되어 확산전개가 가능하다면 간단한 측정만으로 맥신의 분자 분포를 분석할 수 있게 되어 제조과정에서 품질관리까지 가능해지고 현재까지 생산성이 부족해 불가능했던 대량생산의 길이 열릴 것으로 기대됩니다.
이번 포스팅이 조금이나마 여러분의 이해에 도움이 되시기 바랍니다. 감사합니다.
by. sosic4u
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