'맥신의 산화' 열로 잡았다.. 상용화 앞당겨

수분이 높은 환경에서도 맥신 기반 히터 소자가 안정적으로 구동되고 있다.

[아시아경제 황준호 기자] 전자파 차단과 센서의 전극 등으로 활용도가 높을 것으로 예상되는 맥신(MXene)의 약점인 높은 산화성을 막을 방법을 국내 연구진이 고안해냈다. 맥신의 우수한 전기전도성을 활용한 전극 개발 등 맥신 상용화가 본격화 될 것으로 예상된다.

나노종합기술연구원은 한미 공동으로 맥신 소재의 산화 안정성을 획기적으로 높이는 기술 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.

맥신은 전기 전도성이 우수한 2차원 판상 형태의 물질이다. 맥신은 에너지 전극, 센서 전극, 전자파 차폐 등에 뛰어난 성능을 갖고 있다. 이에 따라 소재가 개발된지 10년이 되지 않았지만 미국, 중국, 한국 등에서 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

다만 산화가 쉽게되는 문제가 상용화의 난제였다. 티타늄 카바이드 맥신을 상온에서 보관하게 될 경우, 산화반응이 일어나 이산화 티타늄 (TiO2)으로 변해 전기적 성질을 잃어 버린다. 특히 수분이 있는 환경에서는 훨씬 더 빠르게 이산화 티타늄으로 바뀌어, 이를 해결하기 위한 연구가 진행중이었다.

열처리로 맥신의 산화 개선

열처리에 따른 맥신 소재의 전기적 구조적 특성 변화

이용희, 안치원 나노종합연구원 박사들과 김선준 한국과학기술연구원 박사, 한미공동연구센터 연구팀, 미국 드렉셀 대학교 유리 고고치 (Yury gogotsi) 그룹 연구원들은 맥신의 강한 산화성을 개선할 방법을 찾아냈다.

연구팀은 수소와 아르곤 혼합 기체 안에서 티타늄 카바이드 맥신 필름의 고온 열처리(고온 어닐링)를 통해 맥신의 산화성을 개선했다. 열처리를 한 맥신 필름의 경우 48시간 동안 저항이 1.9배 증가했다. 기존, 열처리를 하지 않은 필름이 13시간만에 100만 배 이상 저항이 커진 것에 비하면 산화성이 매우 개선된 것이다. 또한 열처리된 맥신 필름은 24시간 동안 물에 담가 두어도 저항 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.

여기에 연구팀은 산화가 일부 진행된 맥신 필름에 열처리를 진행하면, 산화로 인해 증가된 저항이 회복되는 효과가 나타났다고 밝혔다. 개발된 맥신 필름을 나노 전기 히터에 응용하는 경우에서도 동일한 산화 안정성 향상 효과가 나타났다.

맥신 상용화에 기여

연구팀은 이번 연구가 전기전도성이 우수한 나노 신물질인 맥신의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 예상했다.

이용희 박사는 "맥신 소재의 상용화의 발목을 잡고 있는 가장 큰 걸림돌 중 하나는 소재의 낮은 산화 안정성"이라며 "산화에 강한 맥신 필름 개발을 통해, 맥신 기반 장수명 소자 제작 및 극한 환경 소자 등의 응용 저변 확대의 계기가 마련됐다"라고 밝혔다.

이번 연구 논문은 국제 학술지인 저널 오브 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)에 (IF=10.7)에 1월 표지논문으로 실렸다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr