물·극성 및 비극성 용매에 모두 분산, 미래 모빌리티·스텔스 소재·이차전지 등 응용 확장성 기대

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 전자파솔루션융합연구단 김선준 박사 연구팀은 극성·비극성 유기용매 모두에 분산이 가능한 ‘고전도성 양친성 맥신(MXene)’ 소재를 개발했다고 밝혔다. 이는 고전도성 맥신의 실용화를 가로막던 용매 호환성 한계를 근본적으로 극복한 성과로 미래 첨단산업에 폭넓게 적용될 수 있는 범용 기술이라는 점에서 주목된다.

‘꿈의 신소재’로 불리는 맥신(MXene)은 금속과 탄소 또는 질소로 이루어진 2차원 나노 물질로 높은 전기전도도, 우수한 용매 분산성, 탁월한 전자파 차폐 성능을 지닌 2차원 나노소재로, 이차전지, 첨단 센서, 스텔스 도료, 전자파 차폐 필름 등 다양한 분야에서 응용이 기대된다.

그러나 지금까지의 맥신은 대부분 친수성 특성으로 인해 물에는 잘 분산되지만 다양한 유기 용매에는 적용이 어려운 한계가 있었다. 이로 인해 고분자 복합소재, 잉크 공정 등 실용 공정과의 호환성 확보에 제약이 있었다.

이에 연구팀은 세계 최초로 맥신 표면에 알콕사이드(Alkoxide) 유기 단분자를 도입하는 표면 개질 기술을 개발해 친수성과 소수성을 동시에 가진 양친성을 부여하는 데 성공했다. 이 기술을 통해 맥신은 극성지수가 높은 물부터 낮은 톨루엔에 이르기까지 다양한 극성 범위의 용매에 안정적으로 분산됐다.

개발된 양친성 맥신은 기존 맥신보다 뛰어난 코팅 특성과 전자파 차폐 성능을 나타냈다. 잉크 형태로 가공된 맥신은 이차전지의 집전체로 널리 사용되는 구리 및 알루미늄 기판 위에 균일하게 코팅되었으며, 폴리이미드와 PET 같은 상용 고분자 기판은 물론 소수성이 가장 높은 테플론 기판에도 균일한 코팅이 가능했다. 또한, 차세대 통신에 사용되는 주요 주파수 대역인 28GHz 영역에서도 우수한 전자파 차폐 성능을 유지했으며, 두께 0.01mm의 매우 얇은 필름에서도 50dB 이상의 차폐 성능(전자파 99.999% 이상 차단)을 나타냈다.

이번에 개발된 맥신은 자율주행차 등 미래 모빌리티의 전자파 차폐 소재를 비롯해, 용액 공정을 기반으로 하는 이차전지 전극 소재 제조, 스텔스 무인기의 전파 흡수 복합체 등에 적용이 가능한 범용 기술로 응용 확장성과 산업적 파급 효과가 매우 클 것으로 기대된다.

KIST 김선준 박사는 “이번 성과는 맥신 소재가 연구실 단계를 넘어 산업 현장 공정에 직접 적용될 수 있음을 입증한 기술적 전환점”이라며, “현재 국내외 맥신 개발 및 수요 기업들과 협업을 통해 대량 생산 기반 기술로 확장 적용 중이며, 실용화 단계로의 전환에 박차를 가하고 있다”고 밝혔다.