▲ KIST 전자파솔루션융합연구단 김선준·오태곤·고태윤 박사(좌부터) 연구팀이 나노코리아 2022 전시회에서 맥신 유기잉크 소재 기술을 소개하고 있다.

한국교통대와 KIST가 전기전도도가 높고 전자파 차폐·흡수가 가능한 차세대 신소재인 맥신(MXene)을 다양한 유기용매에 분산하는 기술을 개발해 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 디바이스 등 새로운 응용처에 적용을 확대하는데 박차를 가하고 있다.

한국교통대학교 나노고분자공학과 인인식 교수 연구실과 한국과학기술연구원(KIST) 전자파솔루션융합연구단 김선준·오태곤·고태윤 박사 연구팀은 맥신을 다양한 종류의 유기화합물로 표면 개질을 하는 연구를 진행 중이다. 이러한 성과는 지난 6일부터 8일까지 일산 킨텍스에서 개최된 ‘나노코리아 2022’ 전시회에서 선보였다.

맥신은 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합(전이금속 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드)한 2차원 결정구조의 나노 소재로 금속 성질을 가지면서 친수성을 띄는 특이한 물질이다. 즉 금속과 같이 우수한 전기전도도, 전자파 차폐 및 흡수가 가능하면서 물이나 용매에 잘 섞이기 때문에 맥신을 코팅하는 것만으로도 특성이 발현돼 배터리·슈퍼캐퍼시터 전극 및 센서, 발광다이오드 디스플레이 등 다양한 분야로의 응용이 기대되고 있다.

맥신은 세라믹 재료 중 하나인 맥스(MAX)를 불산(HF)과 같은 강산을 이용한 화학적 에칭 공정(chemical etching process)을 통해 알루미늄만 선택적으로 제거함으로서 전이금속과 탄소(또는 질소)만 남겨 2차원 형태로 생산된다.

현재까지 최적화된 화학적 에칭법을 통해 만들어진 맥신은 수(水) 분산성이 우수한 장점이 있지만, 동시에 가수분해가 진행되는 단점이 있다. 현재 널리 사용 중인 타이타늄계 맥신(Ti3C2Tx)은 수용액 속에서 표면이 이산화티타늄으로 금방 산화되기 때문에 시간이 지나면 맥신의 우수한 전기전도도 특성을 가질 수 없게 된다.

이에 최근 2~3년간 맥신 표면에 다양한 유기화합물로 표면 개질을 하여 표면 개질된 맥신을 개발하고 이를 수용액 대신 유기용매에 안정적으로 분산시켜 산화 안정성이 우수한 맥신 유기잉크 개발을 위한 연구들이 활발히 진행 중이다. 유기물을 사용하면 맥신을 코팅한 후 잔류물을 제거하기 어려워 특성이 저하되는 문제점이 있기 때문에 유기용매에 맥신을 안정적으로 분산시키는 기술이 핵심이다.

교통대와 KIST 공동연구팀은 친환경 유기용매에 속하는 에탄올, 이소프로필알콜(IPA)에 안정적으로 분산될 뿐만 아니라 아세톤과 아세토나이트릴에도 분산이 가능한 맥신 유기잉크를 개발했다. 현재는 비극성유기용매인 톨루엔, 헥세인, 클로로포름 등에도 안정적인 유기분산을 위한 연구가 마무리 단계에 있다.

인인식 한국교통대 교수는 “표면 개질을 통해 다양한 종류의 유기용매에 안정적으로 분산이 가능한 맥신을 개발함으로써 지금까지 수 분산에서만 응용이 가능했던 기존의 응용 범위에서 벗어나 다양한 종류의 소수성 고분자와의 복합체 형성이 가능하게 됐다”며 “다른 소수성 재료들과의 복합체도 매우 손쉽게 만들 수 있으므로 인쇄전자기술과 결합한 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야의 산업에 적용 가능성이 기대된다”고 밝혔다.

한국교통대와 KIST가 맥신을 다양한 종류의 유기화합물로 표면 개질한 연구결과는 권위 있는 세계 학술지 중 하나인 Advanced Functional Materials(2021, 31, 2010897)에 투고됐으며 논문 및 특허도 확보하고 있다.