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[창간12주년]변재종 나노플렉서스(Nanoplexus) 대표 - “韓과 가전·ESS·센서산업 맥신 활용 협력할 것” - 맥신, 에너지용량·내구성 향상 새로운 솔루션 제공 - 신소재 국산화, 장기적 관점서 공급망 견고성 확보해야
  • 기사등록 2021-07-06 10:56:55
  • 수정 2023-08-24 15:45:18
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맥신과 그래핀 등 나노 신소재에 대한 관심이 뜨겁다. 특히 여러 가지 나노 물질 가운데 흥미롭게 연구되는 물질 중 맥신(MXene)이 있다. 2011년 미국 드렉셀대 유리 고고치가 합성한 2차원 무기화합물인 맥신은 그래핀(Graphene)과 함께 대표적인 꿈의 신소재로 주목받고 있다. 맥신은 티타늄(금속)과 탄소로 이뤄진 얇은 판 모양의 2차원(2D)물질로 전도성이 뛰어나고 표면에 만들어질 수 있는 다양한 적용 덕에 여러 분야에 활용 가능성을 갖는다. 주로 최근 수요가 높은 배터리, 초전도체, 광흡수제, 안테나 등에 적용된다. 이에 본지는 영국의 맥신 및 그래핀 등 2D 재료 전문기업 나노플렉서스(Nanoplexus)의 변재종 대표와의 인터뷰를 통해 2D 재료의 상용화 현황과 발전방안을 들어보는 자리를 마련했다.



▲ Nanoplexus 나노플렉서스 변재종 대표(한국채널 연락처: 02-6007-2033, James.Ji@haydale.com)



“韓과 가전·ESS·센서산업 맥신 활용 협력할 것”


나노플렉서스(Nanoplexus) 에 대한 소개를 부탁한다.


나노플렉서스(Nanoplexus)는 영국 일라이&브릿 하라리 엔터프라이즈 (Eli & Britt Harari Graphene Enterprise)상을 수상한 후 2019 년 10 월에 설립된 맨체스터대학교의 스핀아웃 기업이다. 현재 본사는 그래핀 관련 세계 최고 연구기관인 영국 맨체스터대학 그래핀기술혁신센터(GEIC)에 위치해 있다.


매달 수여되는 이 상은 맨체스터 대학의 연구진과 학생들이 배터리이나 다른 2D자료와 관련된 새로운 회사를 설립하는데 도움을 주기 위한 것이다. 이 상은 혁신을 위한 새로운 아이디어를 현실로 만들기 위한 첫 단계를 밟을 수 있도록 하기 위한 시드펀딩의 역할을 한다.


우리 회사는 더 까다로운 환경에 재료를 적용할 수 있는 고급 제조기술 및 재료합성에 대한 다양한 경험을 바탕으로 맥신(MXene) 및 그래핀과 같은 2D 재료를 개발하고 확장한다. 새로운 촉매, 복합재료 및 에너지시스템을 위해 2D 재료 에어로젤에 '활성' 재료를 장식할 수 있는 플랫폼기술을 확보하고 구현한다.


이는 보다 지속가능한 미래를 위해 비용 절감 등 효율적인 청정에너지 인프라를 개발할 수 있도록 시스템 기능을 향상시키는 재료의 효과적인 사용으로 이어진다.


나노플렉서스가 대한민국 산업 중 맥신을 접목하고 싶은 분야가 있다면


재료 연구가 시장에 조기 도입될 만큼 성숙해졌기 때문에 맥신에 대한 수요가 증가할 것으로 예상된다. 우리가 파악한 주요 산업은 가전 및 에너지 저장 장치이다. 맥신은 2D 라멜라 구조뿐만 아니라 친수성 표면 특성과 양호한 전기 전도성을 가지고 있다.


게다가 다른 양이온 층 사이를 호스팅할 수 있다. 이러한 특성은 배터리 및 슈퍼캐패시터의 전극 재료에 이상적인 재료로서, 보다 빠른 충전 속도와 더 오래 지속되는 장치를 제공한다.


맥신의 이점을 누릴 수 있는 또 다른 시장은 센서 시장이다. 전도성 잉크는 센서로 다양한 기기와 칩에서 인쇄하는 데 사용되며, 선두 기업들은 IoT, RFID 등 분야에 광범위하게 사용하고 있다.


대부분의 인쇄 가능한 잉크에서 첨가제(계면활성제 또는 이차 용제 등)는 일반적으로 잉크의 특성을 조정하고 인쇄 라인의 전도성을 향상시키기 위해 사용된다.


추가적인 계면활성제 제거 및 열 어닐링 단계는 장치 제조 과정을 복잡하게 만든다. 다시 말해, 무첨가 잉크의 제조는 확장 가능하고 저렴하지만 효율적인 인쇄 공정에 중요하다. 맥신을 대안으로 사용하거나 기존 솔루션과 결합하여 보다 비용 효율적이고 지속 가능한 솔루션을 제공할 수 있다.


2차원 물질이 많은 관심을 받고 있다. 맥신의 상용화에 대한 전망은


2차원 (2D) 재료는 이러한 제한된 구조에서 나타나는 특이성으로 인해 관심을 끌었다. 금속 (M)이 탄소 또는 질소(X)층을 사이에 두고 홀수개의 층을 포함하는 맥신로 알려진 2D 금속 탄화물 및 질화물 제품군이 증가하고 있다.


맥신은 주로 금속전도체와 같은 많은 빌딩 블록을 2D 재료 제품군에 추가하며, 대부분은 유전체, 반도체 또는 반금속이다. 맥신의 조정 가능한 속성을 사용하여 적층제조 또는 기타코팅 및 처리기술을 사용하여 2D 나노시트에서 트랜지스터, 슈퍼커패시터, 배터리, 안테나 및 센서에 이르는 장치를 구축할 수 있다. 맥신은 이미 다양한 전자적, 광학적, 화학적 및 기계적 특성을 보여주었다. 높은 전기전도성을 통해 집전체, 상호연결 및 전도성 잉크에 사용할 수 있다.


맥신은 전체자외선, 가시광선 및 근적외선 범위를 포괄하는 대역 간 전이 및 공명 피크와 함께 전기화학적 및 화학적으로 조정 가능한 특성을 가지고 있어 전기변색 및 광열요법 응용이 가능하다. 테라헤르츠에서 기가헤르츠 주파수에 이르는 전자기파와의 강력한 상호작용은 특히 광역 IoT 아키텍처에 대한 관심과 항공우주 및 자동차 산업의 전기화와 함께 성장하는 분야인 전자기 간섭차폐 및 통신에 효과적이다.


맥신 표면에서 전이금속 원자의 산화 환원활동은 배터리 및 슈퍼커패시터에 전기화학적 에너지저장은 물론 전기촉매를 가능하게 해 매우 빠른 속도로 에너지를 저장하고 전달할 수 있다. 이것은 EV(전기차)가 더 빠르고 더 멀리 이동할 수 있게 해주는 차세대 하이브리드 에너지 저장장치의 문을 열 것이다.


맥신의 표면 전하는 계면활성제나 바인더 없이 수성처리를 할 수 있을 뿐만 아니라 액정을 형성할 수 있다. 유기분자, 폴리머 및 이온은 맥신층 사이에 삽입될 수 있으므로 특성조정 및 다층조립이 가능하다. 풍부한 원소로 제작된 무독성의 환경 친화적인 티타늄 기반 맥신과 폴리머, 세라믹 및 금속과의 하이브리드 및 복합재료가 특히 주목을 받고 있다.


대규모의 환경친화적인 합성방법은 향후 적층제조기술에서 맥신을 광범위하게 사용하기 위한 핵심 기술이다. 맥신은 물리학과 화학분야의 발견과 더불어 결함 및 미숙한 변형공학을 구조 및 표면화학의 정밀한 제어로 이론적으로나 본질적으로 반도체 위상절연 및 강자성 맥신을 예측할 수 있는 길을 열어주었다. 기계적으로 강하고 환경적으로 안정적이며 전도성이 높은 맥신은 유연하고 인쇄 가능하며 착용 가능한 자체 전원전자장치에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러나 다른 2D재료와 결합하여 맥신을 사용하여 솔루션에서 자체 조립하여 이종구조 및 장치를 구축하는 것은 아마도 가장 흥미로운 분야다.



맥신, 에너지용량·내구성 향상 새로운 솔루션 제공

신소재 국산화, 장기적 관점서 공급망 견고성 확보해야


2차원 소재 분야에서 현재 그래핀 상용화 현황 및 전망은 어떠한가. 그 안에서 맥신 소재와의 경쟁상황은 어떤지.


가장 중요한 산업은 그래핀 복합재라고 생각하지만 가장 빠르게 성장하고 유망한 산업은 에너지저장분야이다.


그래핀 통합 폴리머 복합재는 차량 프레임워크에 사용하기에 큰 잠재력을 지닌 더 가벼운 재료의 예다. 그래핀의 높은 종횡비, 높은 유연성 및 기계적 강도를 통해 두 개의 서로 다른 구성 요소 사이의 계면과 같이 이러한 복합재료의 약점 및 강도를 향상시킬 수 있다. 또는 맥신은 자체 모니터링 복합재에 대한 잠재력을 제공한다.


맥신의 금속구성은 향상된 전기전도도 성능을 제공하며 맥신은 기존의 그래핀 나노혈소판에 비해 더 높은 측면 두께 종횡비를 제공하기 때문에 여과 임계값에 도달하기 위해 복합재료에 필요한 물질이 적다. 그래핀과 맥신은 함께 재료에 더 큰 기능성을 만들어 비용 대 성능 비율에서 기존 복합재보다 경쟁력을 높인다.


그래핀 배터리는 향상된 커패시터, 배터리 및 재생에너지기반 마이크로그리드를 통해 에너지 생성 및 저장에 사용됐다. 특히 리튬이온배터리에서 수명을 늘리고 성능을 향상시키는데 사용됐다. 에너지저장장치의 증가 영역은 항공우주 및 자동차산업의 현재 요구에 맞는 높은 전력 밀도로 인한 슈퍼커패시터이다.


그러나 이러한 장치의 한계는 에너지밀도가 현저히 낮다는 것이다. 그래핀은 전극표면적 및 형상의 향상으로 인해 기존 세라믹 또는 탄소기반 슈퍼커패시터보다 뚜렷하게 더 높은 성능을 제공할 수 있지만 맥신의 전기화학적 특성과 2D 소재의 고유한 특성이 결합된 그래핀보다 더 높은 전력밀도를 제공한다. 에너지저장용량과 내구성이 향상됐다.


재료 클래스로서의 2D 재료는 재료 요구사항에 대한 새로운 솔루션을 제공하며 그래핀과 마찬가지로 맥신은 더 큰 기능을 가진 재료를 제공하는 보완솔루션으로 작동한다. 우리의 신념은 새로운 맥신 및 2D 재료가 발견되면 각 재료가 업계에서 각각의 공간을 최적으로 점유하고 잠재적으로 새로운 고유특성을 활용하기 위해 협력할 수 있다는 것이다.


한국은 소재, 부품, 장비 국산화와 경쟁력 강화를 추진 중이다. 맥신과 같은 신소재분야에서 앞서 나가기 위한 솔루션이 있다면.


그래핀과 대부분 새로운 재료에서 보듯 재료 분야 진입 장벽은 스케일(생산규모)이다. 우리의 정의에 따르면, 규모는 대량 제조를 위한 생산량에 국한되는 것이 아닌, 장기적으로 여러 가지 재료 파생 모델이 형성될 수 있도록 하는 공급망의 견고성을 의미한다.

이는 연구 기관의 순도 높은 재료부터 일반 산업의 도핑된 재료에 이르기까지 최종 사용자의 다양한 요구에 대응하는 것을 포함한다. 때문에 개발 초기 단계에서 신소재를 홍보하고 교육할 수 있도록 최종 사용자와의 적극적인 파트너십을 구축해야 하는 것이다.


기업은 장기적인 관점에서 신소재를 사용하고 투자한다는 의향을 가져야한다. 즉, 신소재의 원가를 낮춰가는 동시에 파생상품에 부가가치를 제공해야 한다. 2D 재료 애플리케이션 분야에서 앞서 나가기 위해선 단일 에코시스템에서 공급망, 규모 및 최종 사용자 제품을 병렬로 구축하는 동시에 엔지니어링 마인드를 갖춰야 한다.



▲ RFID 대응 가능한 맥신 잉크.


▲ Nanoplexus가 생산하는 맥신 플레이크와 맥신 잉크


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