나노종기원, 극한 환경에서 견디는 맥신 소재 개발...차세대 반도체소자 활용 기대

피롤 처리된 맥신의 모식도 및 상온에서의 산화 안정성 테스트(700일까지)

나노종합기술원(원장 이조원)이 과학기술정보통신부 나노 및 소재기술개발사업(미래기술연구실) 지원을 받아 극한 환경에서 견디는 맥신(MXene) 소재 개발에 성공했다.

맥신은 전기전도도가 우수한 2차원 나노 소재로 다양한 조성과 더불어 높은 전도도, 우수한 반응성, 용액공정 등 장점들을 지녔다. 에너지 저장소자, 센서, 전자파 차폐 등 분야에서 전극으로 적용돼 우수한 소자 성능을 보여 왔다.

그러나 맥신 소재는 공기 중이나 용액 내에서 매우 쉽게 산화돼, 맥신 본래의 우수한 여러 물성들을 잃어버린다. 기술 상용화 단계로의 도약 및 실질적 산업 응용을 위해 산화 안정성 향상을 통한 소재 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하다.

나노종기원은 맥신 표면처리 기술개발을 통해 극한 환경에서도 견디는 맥신 소재 기술개발에 성공했으며, 연구결과는 재료분야 세계적 권위지 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈에 표지논문 (2022년 12월)으로 선정됐다.

피롤(Pyrrole)이라는 유기 분자를 맥신 표면에 결합하는 기술개발을 통해 수용액 상에서 수분과의 반응을 막아 맥신의 산화안정성을 획기적으로 향상시켰다.

개발 소재는 상온에서 700일, 고온(70도)에서 6주, 강산화제인과산화수소 하에서는 50일 동안 변질되지 않는 우수한 산화 저항 특성을 보였다.

뿐만 아니라, 피롤 처리된 맥신을 활용해 에너지 저장소자를 제작했을 때, 에너지 저장 용량도 기존 소재 대비 40% 향상시킬수 있었다.

연구를 주도한 이용희 선임연구원은 “이번 연구는 맥신 소재 상용화를 앞당기는데 큰 기여를 할 것이며, 향후 국방·항공·우주 등 극한 환경에서도 소재 활용이 활발해 질 것으로 기대된다”고 전했다.

이조원 원장은 “금번 연구결과를 기반으로 마이크로 슈퍼캐패시터, 센서, 배터리 소자 등에 신뢰성이 향상된 맥신 소재를 활용할 수 있게 됐으며, 향후 초미세 패터닝, 초소형화, 초박막화 등 차세대 반도체소자 기술개발에도 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

김영준기자 kyj85@etnews.com