'꿈의 신소재' 맥신, 불순물 함량 높아…“상용화는 시기상조”

고려대

주사전자현미경으로 촬영한 맥신. 미국 시카고대 제공

국내외 공동 연구진이 2차원 물질 '맥신'을 원자단위에서 관찰하는 기술개발에 성공했다. 이를 통해 확인한 맥신의 내외부 구조에는 불순물 함량이 높았다. 맥신의 상용화를 위한 과제가 하나 더 추가된 것이란 분석이 나온다. 맥신을 다양한 분야에서 활용하려면 이 불순물의 역할을 정확히 파악해야 하기 때문이다.

고려대는 김세호 신소재공학부 교수와 독일 막스플랑크연구소 국제공동연구팀이 이같은 내용을 담은 연구 결과를 22일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 발표했다고 29일 밝혔다. 

맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질이다. 높은 전기전도성을 갖추고 여러 화합물로 조합할 수 있는 것이 특징이다. 이를 바탕으로 배터리, 반도체, 촉매, 의료, 전자기기, 센서 등 다양한 분야에서 활용할 수 있어 '꿈의 신소재'라 불린다.

하지만 맥신은 구조 및 화학조성을 분석하기 어려운 매우 얇은 구조를 갖고 있다. 이 때문에 제조 과정에서 생긴 불순물 존재 여부를 알 방법이 없었다. 우수한 특성과 구조, 조성간의 상관관계를 명확하게 규명할 수 없었다는 것. 불순물 유무를 알 수 없다 보니 사용 안전성에 중요한 정제 처리 방법에 관한 연구도 미흡했다. 

‘맥신’ 물질 산화 반응 후 전자현미경 및 원자탐침단층현미경 분석 결과. 맥신 재료 내부에 산소 원자 뿐만이 아니라, 불소, 염소, 리튬, 알루미늄이 원출됐다. 고려대 제공

연구팀은 초고해상도와 화학분해능 원자 탐침 단층 현미경을 활용해 이미징을 포함 정확한 불순물 함량 조성분석을 가능하게 했다. 최첨단 원자 탐침 단층 현미경(APT) 기술과 2차원 물질 분석 기술을 개발해 맥신 물질의 조성과 구조를 측정했다. 그 결과 맥신은 기존에 알려진 화학구조와 달리 순도가 낮다는 사실이 확인됐다. 맥신의 정밀한 화학구조 분석이 이뤄진 것은 이번이 처음이다. 

분석 결과 맥신에는 리튬(Li), 나트륨(Na)과 같은 다량의 알칼리 물질이 함유돼 있었다. 할로겐(CI)와 플루오린(F) 원소, 에칭되지 않은 알루미늄(AI) 원소도 검출됐다. 

이번 연구에 사용된 원자 탐침 단층 현미경은 100억 분의 1미터 단위의 공간 분해능이 가능하다. 모든 원소에 대해 동일한 화학분해능을 가지고 있어 나노물질을 분석하는 데 매우 적합하다. 아주 얇은 바늘 모양으로 가공된 시편 표면의 원자들을 고전압 펄스를 가해 차례차례로 전계이온 증발시켜 검출기에 충돌시킨 후, 원자의 충돌 위치와 순서 그리고 충돌 원자의 질량 대 전하 비를 이용해 시편의 3차원 원자 분포를 이미징하는 분석 기술이다. 

연구를 이끈 김세호 교수는 “이번 연구에서는 가장 많이 쓰이는 Ti3C2 맥신 물질의 불순물에 주목했지만 맥신의 종류와 합성 과정 중 원치 않게 첨가되는 불순물의 종류는 휠씬 많다"며 "새롭게 개발된 분석 방법을 적용해 불순물 함량을 정제할 수 있는 공정과 불순물 역할을 규명하는 새로운 지식을 도출하려 한다”고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]