6G·배터리 성능 바꿀 '카멜레온 맥신' 개발…구조 스스로 바뀐다[과학을읽다]

탄소 조성 제어로 전자파 차폐·에너지 저장 기능 선택 구현
100GHz 초고주파 차폐 성능 확보…차세대 유연 전자소자 기대

국내 연구진이 탄소 조성을 조절해 차세대 신소재 '맥신(MXene)'의 구조와 기능을 원하는 방향으로 바꾸는 기술을 개발했다. 하나의 소재를 전자파 차폐용과 배터리용으로 각각 설계할 수 있게 되면서 6세대(6G) 이동통신과 자율주행 레이다, 차세대 에너지 저장장치 분야 활용 가능성이 커질 전망이다.

한국연구재단은 권순용·최은미 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀이 맥신 전구체(MAX)의 탄소 조성을 정밀 제어해 맥신 구조와 기능을 합성 단계에서 선택적으로 설계하는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

전구체 탄소 조성에 따라 맥신(MXene) 구조와 기능이 달라지는 과정을 나타낸 모식도. 탄소가 풍부한 전구체에서는 평면 나노시트 구조가 형성돼 초고주파 전자파(EMI) 차폐 성능이 향상됐고, 탄소가 부족한 전구체에서는 나노스크롤 구조가 형성돼 이온 이동성이 높은 슈퍼커패시터 특성을 구현했다. 권순용 UNIST 교수 제공

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Materials에 지난 18일 게재됐다.

맥신은 금속과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노소재다. 전기전도성이 뛰어나고 다양한 화합물 설계가 가능해 차세대 배터리와 반도체, 센서 분야의 '꿈의 신소재'로 불린다.

최근 6G 통신과 자율주행 레이다, 위성통신 등 차세대 전자기기가 초고주파 환경으로 빠르게 이동하면서 전자파 간섭(EMI)을 막는 초박막 차폐 기술 중요성도 커지고 있다.

기존 금속계 차폐 소재는 성능은 우수하지만 무겁고 부식에 취약해 유연·경량 전자기기에는 한계가 있었다. 이에 따라 높은 전도도와 유연성을 갖춘 맥신이 대안 소재로 주목받아 왔다.

"차폐용·배터리용 하나의 플랫폼서 구현"

연구팀은 맥신 전 단계 물질인 MAX 전구체의 탄소 조성을 조절해 구조 자체를 바꾸는 방식으로 기능을 제어했다.

탄소가 풍부한 조건에서는 전기전도도가 높은 평면 나노시트 구조가 형성됐다. 이 구조는 100GHz 초고주파 대역에서 높은 전자파 차폐 성능과 뛰어난 굽힘 내구성을 보였다.

반대로 탄소가 부족한 환경에서는 두루마리 형태의 '나노 스크롤' 구조가 자발적으로 형성됐다. 이 구조는 이온 이동 통로를 넓혀 고용량·고수명 특성을 갖는 고속 에너지 저장 성능을 구현했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 전구체 조성 조절만으로 전자파 차폐용 평면 시트와 에너지 저장용 스크롤 구조를 하나의 플랫폼에서 맞춤형 설계할 수 있음을 입증했다고 설명했다.

박재은 제1저자는 "평면 시트는 전자파 차폐에, 나노 스크롤은 에너지 저장에 유리하다는 점을 실험적으로 확인했다"며 "하나의 소재 플랫폼에서 응용 방향을 나눠 설계할 수 있게 됐다"고 말했다.

권순용 교수는 "지난해에는 질소 치환으로 맥신의 전도도와 광대역 차폐 성능을 높였다면, 이번에는 전구체 조성만으로 맥신 구조 자체를 설계하는 단계로 나아갔다"며 "초박막이면서도 100GHz 대역에서 높은 차폐 성능과 굽힘 내구성을 동시에 확보해 차세대 6G·레이다 환경용 유연 차폐 소재 가능성을 확인했다"고 밝혔다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr