차세대 2D 소재 맥신, 대량 생산할 방법 찾았다

이승철 KIST 한·인도협력센터장 연구진

한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 2차원(2D) 소재인 맥신의 물성을 예측하는 프로그램을 개발했다. 일정한 품질의 맥신을 쉽게 만들 수 있어 대량 생산에 도움 될 전망이다./한국과학기술연구원

국내 연구진이 차세대 소자로 주목받는 맥신(MXene)의 대량 생산 가능성을 높였다. 맥신은 우수한 전기적 성질을 갖고 있으나 일정한 품질을 유지할 방법이 없었다. 이런 문제를 물성 예측 프로그램으로 해결해 일정한 품질의 맥신을 대량으로 만들 수 있게 될 전망이다.

이승철 한국과학기술연구원(KIST) 한·인도협력센터장이 이끄는 연구진은 17일 맥신의 표면에 붙은 분자의 종류와 양을 예측하는 기술을 개발해 대량 생산을 가능하게 했다고 밝혔다.

맥신은 금속과 탄소가 층층히 쌓여 있는 2차원(2D) 나노 물질이다. 전기전도성이 높고 다른 금속화합물과 쉽게 조합할 수 있어 반도체, 전자제품, 센서에 활용할 차세대 소재로 주목 받는다.

맥신은 3D 물질인 맥스에서 한 층씩 떼어내 만들어진다. 이 때 맥신 표면에 여러 분자가 붙어 물성에도 영향을 미친다. 특히 표면에 플루오린(불소)이 덮여 있으면 전기전도성과 전자파 차폐 효율이 떨어진다. 맥신의 활용도를 높이려면 표면에 붙은 분자의 종류와 물성을 확인해야 한다. 그러나 두께가 1nm(나노미터·10억분의 1m) 수준으로 고성능 전자현미경으로도 오랜 시간이 걸리는 작업이 필요해 대량 생산에 어려움을 겪고 있다.

KIST 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 2D 소재의 물성을 예측하는 프로그램을 개발했다. 표면에 붙은 분자의 종류에 따라 전기전도성과 자기가 달라지는 점을 활용했다. 이 덕분에 다른 장비 없이도 상온·상압에서 맥신 표면에 붙은 분자의 종류와 양을 분석할 수 있게 됐다.

물성 예측 프로그램으로 맥신의 표면을 분석한 결과, 표면에 붙은 분자의 종류에 따라 ‘홀 산란 인자’가 변하는 것을 확인했다. 홀 산란 인자는 반도체에서 전하의 움직임 특성을 나타내는 지표다. 표면에 불소가 붙은 맥신은 홀 산란 인자가 2.49까지 높아지는 반면 산소가 붙으면 0.5로 낮아졌다. 홀 산란 인자를 측정하면 표면 분자를 유추할 수 있다.

홀 산란 인자 수치에 따라 맥신의 활용 분야도 달라졌다. 1보다 낮을 때는 트랜지스터, 고주파 생성 소자, 센서, 광검출기에 활용도가 컸고, 1보다 크면 열전소재, 자기센서에 유용한 것으로 나타났다.

얇은 두께의 맥신을 소자 개발에 활용하면 크기와 전력 소모량을 줄일 수 있을 것으로 연구진은 분석했다.

이 센터장은 “제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 새로운 방법 표면 분자 분석 방법을 개발했다”며 “이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘나노스케일’에 지난 6월 28일 소개됐다.

참고자료

Nanoscale, DOI: https://doi.org/10.1039/d2nr06409j

이번 연구에 참여한 연구진. 왼쪽부터 나미타 애나 코시 한국과학기술연구원(KIST) 한·인도협력센터 박사 후 연구원, 이승철 KIST 한·인도협력센터장./한국과학기술연구원

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