머리카락 1/10 두께 맥신(MXene) 소재로 초고주파 대역 전자파 잡는다

- UNIST 등, 고순도 질소 치환 맥스 전구체와 맥신 2차원 소재 합성 성공

고순도 질소 치환 전 조성 MAX 상 및 맥신의 제조 공정과 형태. (자료제공: UNIST)

최적화된 질소 치환 맥신 필름의 광대역 EMI 차폐 성능 및 성능 비교. (자료제공: UNIST)

머리카락 1/10 굵기의 얇은 필름으로 초고주파 대역 전자파를 완벽하게 차단하는 맥신 소재가 개발돼 차세대 통신, 자율주행차, 방위산업, 우주전자 등 폭넓은 분야에서의 응용이 기대된다. 

과학기술정보통신부(장관 유상임, 이하 ‘과기정통부’)는 UNIST 권순용 교수, 최은미·변강일 교수 연구팀이 서울대 이건도 교수팀과의 공동연구를 통해 고순도이면서 성분 조절이 가능한 질소 치환 맥스(MAX) 전구체와 이로부터 얻은 맥신(MXene) 2차원 소재를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 5월 29일 밝혔다. 

맥신은 금속과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노소재로, 전기전도성이 뛰어나고 다양한 화합물 설계가 가능해 꿈의 신소재로 불린다. 특히 초고주파(sub-THz) 영역에서 전자파 간섭을 막는 차세대 초박막 차폐 소재로 주목받아왔다. 기존의 금속 차폐재는 무겁고 부식될 뿐만 아니라 고주파 대역에서 성능이 급격히 떨어져 응용에 한계가 있는 반면, 맥신의 경우 얇고 가벼우며 고주파 대역에서도 우수한 차폐능을 보이기 때문이다.

현재까지 대부분의 맥신은 탄소를 기반으로 만들어졌는데, 탄소를 질소로 치환할 경우 물리적, 화학적 성질이 향상될 것으로 예측되어 왔다. 다만 공정상의 어려움으로 구현되지 못하다가 이번 공동연구팀이 맥스 전구체의 탄소 일부를 질소로 바꾸는데 성공, 새로운 티타늄 기반 맥스 전구체 합성 공정을 개발하고 맥신의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다.

질소 치환 맥스로 개발한 맥신 필름은 사람 머리카락 굵기(약 50~100㎛) 10분의 1 수준의 얇은 막임에도 전기전도도는 현재까지 보고된 맥신 소재 중 가장 높은 수치(35,000 S/cm)를 기록했는데, 이는 우수한 차폐 성능을 뜻한다.

개발된 공정을 통해 질소 치환 정도를 0%부터 100%에 가까운 범위까지 자유롭게 조절하면서도 전구체의 단일한 결정 구조를 유지해 중간 불순물이 없는 고순도 맥스 전구체를 얻어낼 수 있다. 이는 질소 함량에 따라 맥신의 전자기적 특성을 정밀하게 조정(tuning)할 수 있다는 의미로, 응용분야에 따라 전자파 차폐·반사 성능을 극대화할 수 있다.

권순용 교수는 “질소 치환 맥신은 차세대 전자파 차단 기술에 획기적인 돌파구가 될 것”이라며 “모바일 기기부터 차량·항공기 등의 전자 시스템, 차세대 통신 기지국에 이르기까지 광범위한 분야에서 전자파 간섭을 줄이는 역할이 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발 사업의 지원으로 수행된 해당 연구의 성과는 재료과학 분야의 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 4월 25일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]