전극소재의 코팅 및 액상공정 등 다양한 공정에 응용 가능
[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀이 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질인 ‘맥신(MXene)’의 상용화를 앞당길 유기 잉크 제조기술을 개발했다.
드론, 자율주행차, 스마트폰 등 최신 IT 기기들에 점점 더 많은 반도체 칩과 전자부품들이 사용되고 있다. 그만큼 전자파가 서로 뒤엉켜 생길 수 있는 기기 오작동의 우려도 커지고 있다. 그동안은 전자파 간섭을 막기 위해 금속필름으로 기판을 덮었지만, 이는 비싸고 무거우며 가공하기 어려운 단점이 있다.
전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아지는데, KIST 연구팀은 금속 소재에 대한 대안으로 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도를 갖는 2차원 나노 재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다.
연구팀이 개발한 맥신 소재는 우수한 전자파 차폐성능을 보여 차세대 전자파 차폐 소재 후보로서 두각을 나타냈다. 또한, 전기전도성이 우수하면서 가볍고 수용액을 이용한 가공성이 우수하여, 전기전도성이 요구되는 전자파 차폐 및 전극 패턴 소재로의 응용뿐만 아니라 이차전지나 축전지, 가스센서, 바이오센서 등 매우 다양한 응용이 가능하다.
하지만 이러한 장점에도 불구하고 맥신은 수용액 속에서 물 분자 및 산소에 의해 쉽게 산화되어 그 본래의 전기전도도를 잃어버리게 되어 안정성이 좋지 않았다. 또한, 친수성 표면을 가지는 맥신은 그 반대의 성질, 즉 물과 화합되지 않는 성질인 ‘소수성’을 가지는 고분자 재료 및 특성 재료들과의 친화도가 좋지 않아 다양한 소재와의 응용이 어려웠다.
연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 화학적 표면처리를 통해 2차원 맥신 입자가 소수성을 갖도록 하여 유기용매에 분산된 맥신 유기 잉크를 개발하였다. 또한, 이렇게 제조된 맥신 유기 잉크는 내부에 물 분자 및 산소가 적어 맥신이 쉽게 산화되지 않을 수 있었다.
개발된 맥신 유기 잉크를 활용하면 산화 불안전성을 극복하여 기존 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린트 등의 액상 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 장기간 보관할 수 있도록 안정성이 보장된 맥신은 전자파 차폐, 전극 소재 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.
KIST 구종민 센터장은 “세계 최초로 맥신(Ti₃C₂) 유기분산 잉크를 제시하고, 산화 안정성을 확보함으로써 맥신의 상용화 가능성을 높였다”면서 “향후 맥신 잉크를 기반으로 물을 사용하지 않는 용액공정 및 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 차세대 전자파 차폐 및 전자소자 응용 연구를 촉진하는 계기를 마련하게 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구에서는 기존 맥신이 가지는 문제점들을 해결하기 위하여 ▶맥신 입자에 화학적 표면처리를 통해 유기용매에 분산 가능한 맥신 잉크제조 ▶비수계 잉크제조를 통해 산소, 수분을 배제하여 맥신의 산화 안정성 확보 ▶소수성 특성의 고분자 및 이종의 나노 재료와의 복합체 제조기술을 확보하였다.
과학적 측면에서는 ▶맥신의 친수성 표면 작용기(-OH)와 상호작용을 할 수 있는 유기 리간드를 도입하여 맥신의 친수성 표면을 소수성 표면으로 개질하였고 ▶비수계 용매에 분산된 맥신 잉크는 용존산소 및 수분을 배제할 수 있어 산화 안정성을 확보하였다. 또한 ▶개질된 맥신의 소수성 표면 특성은 소수성 고분자와의 복합체 제조를 가능하게 하였다.
기술적 측면으로는 맥신 표면 개질 반응과 유기용매에 분산 과정을 하나의 공정으로 가능하게 하는 공정을 개발하였다. 이러한 공정은 ▶기존 방식보다 간단한 공정 ▶맥신 입자의 응집을 방지하여 2차원 맥신의 우수한 특성 유지에 관한 실용적인 장점들을 제공한다.
이번 연구는 ‘맥신의 표면을 계면반응을 통하여 이종의 소수성 입자로 개질’하여 ▶비극성 유기분산 맥신 잉크를 세계 최초로 제시하였으며 ▶유기용매에 분산된 맥신은 산소와 수분을 차단하여 우수한 산화 안정성을 확보하였다. 향후 장기보관 안정성이 보장된 맥신을 전자파 차폐, 전극패터 소재 등 다양한 분야에 적용하며, 상용화가 가능할 수 있을 것으로 예상된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Young Fellow 사업, 한국연구재단 도약과제, 중견연구자사업, 건설기술연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재되었다.
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