연구소소개
전자파 차단 신소재 '맥신(MXene)' 안정성 확보기술로 상용화 앞당긴다
- 등록일 : 19-12-20
- 물질구조제어연구센터 구종민 박사팀
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- 나노소재 맥신 유기 잉크 개발, 물과 산소에 쉽게 산화되지 않아
- 전극소재의 코팅 및 액상공정 등 다양한 공정에 응용 가능
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀은 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질인 ‘맥신(MXene)’의 상용화를 앞당길 유기 잉크 제조기술을 개발했다고 밝혔다.
드론, 자율주행차, 스마트폰 등 최신 IT 기기들에 점점 더 많은 반도체 칩과 전자 부품들이 사용되고 있다. 그만큼 전자파가 서로 뒤엉켜 생길 수 있는 기기 오작동의 우려도 커지고 있다. 그동안은 전자파 간섭을 막기 위해 금속필름으로 기판을 덮었지만, 이는 비싸고 무거우며 가공하기 어려운 단점이 있었다.
전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아지는데, KIST 구종민 센터장 연구팀은 금속 소재에 대한 대안으로 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노 재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다.
(※Science 353, Issue 6304, pp. 1137-1140, 2016년)
KIST 연구진이 개발한 맥신 소재는 우수한 전자파 차폐성능을 보여 차세대 전자파 차폐 소재 후보로서 두각을 나타냈다. 또한, 전기전도성이 우수하면서 가볍고, 수용액을 이용한 가공성이 우수하여, 전기전도성이 요구되는 전자파 차폐 및 전극 패턴 소재로의 응용뿐만 아니라 이차전지나 축전지, 가스센서, 바이오센서 등 매우 다양한 응용이 가능하다.
하지만, 이러한 장점에도 불구하고, 맥신은 수용액 속에서 물 분자 및 산소에 의해 쉽게 산화되어 그 본래의 전기전도도를 잃어버리게 되어 안정성이 좋지 않았다. 또한, 친수성 표면을 가지는 맥신은 그 반대의 성질, 즉 물과 화합되지 않는 성질인 ‘소수성’을 가지는 고분자 재료 및 특성 재료들과의 친화도가 좋지 않아 다양한 소재와의 응용이 어려웠다.
KIST 연구진은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 화학적 표면처리를 통해 2차원 맥신 입자가 소수성을 갖도록 하여 유기용매에 분산된 맥신 유기 잉크를 개발하였다. 또한, 이렇게 제조된 맥신 유기 잉크는 내부에 물 분자 및 산소가 적어 맥신이 쉽게 산화되지 않을 수 있었다.
개발된 맥신 유기 잉크를 활용하면 산화 불안전성을 극복하여 기존 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린트 등의 액상 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 장기간 보관할 수 있도록 안정성이 보장된 맥신은 전자파 차폐, 전극 소재 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
KIST 구종민 센터장은 “세계 최초로 맥신(Ti3C2) 유기분산 잉크를 제시하고, 산화 안정성을 확보함으로써 맥신의 상용화 가능성을 높였다.”라며 “향후 맥신 잉크를 기반으로 물을 사용하지 않는 용액공정 및 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 차세대 전자파 차폐 및 전자소자 응용 연구를 촉진하는 계기를 마련하게 될 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Young Fellow 사업, 한국연구재단 도약과제, 중견연구자사업, 건설기술연구사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.903, JCR 분야 상위 5.973%) 최신호에 게재되었다.
* (논문명) Nonpolar Organic Dispersion of 2D Ti3C2Tx MXene Flakes via Simultaneous Interfacial Chemical Grafting and Phase Transfer Method
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김대신 인턴연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 조상호 선임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 구종민 책임연구원(센터장)
<그림설명>
그림1. 맥신의 계면 축합 및 상 이동 동시 반응 모식도
(a) 맥신 수용액 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지.
(b) 맥신 비수계 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지.
(c) UV-Vis 장치로 확인한 시간에 따른 맥신 잉크의 농도변화.
(b) 맥신 비수계 잉크의 한 달 동안 보관 전후 이미지.
(c) UV-Vis 장치로 확인한 시간에 따른 맥신 잉크의 농도변화.
그림 3.
(a) 맥신 필름의 유연성 확인(b) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 유연성 확인
(c) 맥신 및 유기 리간드 처리된 맥신 필름들의 전기전도도
(d) 맥신 필름의 물 접촉각. (접촉각이 높을수록 소수성 특성을 가진다)
(e) 유기 리간드 처리 맥신 필름의 물 접촉각