유연 전자소자 및 5G 통신 기기에 적용 가능
[기계신문] 맥신(MXene)은 전이 금속 카바이드로 나노미터(nm) 두께에 마이크로미터(μm) 크기를 가지는 2차원 평판 구조의 나노 재료로, 전기전도성이 우수하여 전자파 차폐, 유연인쇄전자소자, 이차전지 및 축전지 등 전기화학적 에너지 저장, 가스 센서 또는 바이오센서 등 매우 다양한 응용이 기대되는 차세대 2차원 나노 소재이다.
하지만 이런 장점에도 불구하고, 나노미터 두께의 균일 초박막 필름 제조 기술의 부재로 맥신 소재의 전자파 차폐 메커니즘 규명 연구 및 초박막 응용 기술 개발 연구에 어려움이 있었다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수, 미국 Drexel 대학교 Yury Gogotsi 교수팀과의 공동 연구를 통해 전자파 차단 신소재 ‘맥신’을 나노미터 두께의 초박막 필름으로 제작하는 기술을 개발했다.
구종민 센터장이 2016년 개발한 ‘맥신‘은 전자파 차폐 소재로 사용될 수 있는 전기전도성이 우수한 2차원 나노 신물질이다. 그동안 맥신 소재 자체의 우수한 전자파 차단 성능은 보고되었지만, 고집적 5G 통신 및 모바일 전자기기에 직접 응용 가능한 기술은 개발되지 않은 상태였다.
KIST-KAIST-Drexel 대학교 공동 연구팀은 유연 전자소자 및 5G 통신 모바일 기기에 적용할 수 있는 전자파 차폐 소재 기술로써 자가조립(Self-assembly)기술을 활용하여 원자 수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 제작했다.
맥신 수분산액 표면에 휘발성이 있는 용액을 공급하여 맥신을 표면에 표류시키고, 표면장력 차이에 의한 대류 현상에 의해 맥신 나노입자들이 스스로 배열하여 원자수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 형성한다.
공동 연구팀이 개발한 자가조립 기술은 기존 용액공정으로 구현할 수 없는, 원자단위의 두께 균일도를 가지는 대면적 필름을 제조할 수 있는 기술이다. 이를 통해 제작한 초박막 맥신 필름은 원하는 기판에 쉽게 전사(tranfer)할 수 있으며 여러 번 적층하여 두께 및 투과도, 표면저항을 자유롭게 제어할 수 있다.
이 필름을 55nm 두께로 적층하면 99% 이상 전자파 차단이 가능했다. 이는 현재까지 보고된 어떤 전자파 차단 소재보다 우수한 성능(두께 대비 차단 효과)이다.
KIST 구종민 센터장은 “자가조립 기술을 이용하여 원자 수준의 두께 균일도를 갖는 맥신(Ti3C2Tx) 박막 필름 제조 기술을 개발하였고, 이를 통해 나노미터 두께에서의 2D 나노 재료의 전자파 차폐 메커니즘을 규명하여 유연 전자소자용 초박막 전자파 차폐 응용 기술을 개발했다”며 “향후 개발된 맥신 박막 코팅 기술이 다양한 전자기기에 적용되고 양산화 공정을 구현할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구를 통해 기존의 용액공정으로는 제조가 불가능한 원자수준의 두께 균일도를 가지는 맥신 초박막 필름 제조 기술 및 신뢰성을 확보할 수 있었다. 이러한 기술을 통하여 전자파 차폐 및 전극 소재로의 응용뿐만 아니라, 유연인쇄전자소자, 이차전지, 축전지, 가스 센서 또는 바이오센서 등 다양한 분야에 응용이 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 KIST Research Laboratory사업, 리더연구자지원사업(다차원 나노조립제어 창의연구단), NNFC-Drexel-SMU 국제 공동연구사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 과학전문지 ‘Advanced Materials’ 최신호에 표지 논문으로 게재되었다.
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