▲ 한양대학교 유기나노공학과 한태희 교수 연구팀이 상온에서 높은 전기전도도를 유지하면서 멕신 나노물질을 섬유화하는 데 성공했다. 한태희 교수(좌)와 엄원식 연구원

[기계신문] 그래핀, 질화붕소, 질화탄소와 같은 2차원 나노 물질은 전자, 화학, 물리적, 기계적 특성이 우수한 소재를 개발하기에 용이해 상당한 주목을 받고 있으며, 이를 거시적 구조로 개발하기 위한 많은 전략이 제안되어 왔다.

특히, 2D 나노 시트를 섬유 구조로 조립하는 전략은 매우 성공적이었다. 섬유화는 매우 밀도 높고 잘 배열된 나노구조를 형성하는데 유리하였으며, 결과적으로 가장 성능이 우수한 이차원 나노시트 구조체를 만들 수 있는 방법이다.

멕신(MXene)은 최근 우수한 전기 열 전도성, 기계적 및 화학적 특성 및 광범위한 잠재적 응용 분야로 인해 2D 재료로 부상하고 있다. 멕신은 탄소원자와 중금속원자로 이뤄진 얇은 판 모양의 이차원적 나노 물질로, 전기 전도성이 뛰어나다.

나노입자 형태의 멕신을 웨어러블 디바이스 등에 활용하기 위해서는 구조적 변형에 유리하도록 섬유화하는 과정이 필요한데, 기존에는 이 과정에 첨가되는 물질들로 인해 멕신의 전기전도도가 낮아지는 것이 문제였다.

최근 한양대학교 유기나노공학과 한태희 교수 연구팀이 상온에서 높은 전기전도도를 유지하면서 멕신 나노물질을 섬유화하는 데 성공했다.

▲ 맥신 섬유 제조의 단계. 먼저 멕신의 전구체로부터 멕신을 합성하는 연구(알루미늄 레이어 제거 방법), 멕신을 섬유 형태로 조립하는 연구(배향된 구조 생성 방법), 제조된 멕신을 응용하는 연구 (구조와 특성의 정확한 측정)의 순서로 이루어진다.

연구팀은 연속적인 습식 방사 공정을 이용하여 순수한 멕신 섬유를 제조하는데 성공하였다. 멕신 섬유의 개발을 위해 연구팀은 ▶커다란 시트 크기를 가진 멕신 제조 ▶멕신 시트간의 결합 강화 ▶높은 농도의 분산액 제조의 3가지 문제를 해결했다.

개발된 공정은 멕신 섬유를 수미터 길이로 연속적으로 제조할 수 있으며, 제조된 섬유는 높은 전기 전도성(7,713 S/cm)을 가졌다. 또한, 멕신 섬유는 높은 유연성과 우수한 기계적 특성을 나타냈다.

연구팀은 전기 전도성이 우수한 멕신 섬유를 LED 조명의 전선과 전기 신호를 이어폰으로 전송하는 케이블에 적용하였고 기존의 기능들이 정상적으로 이루어지는 것을 확인하였다. 이는 멕신 섬유가 고성능, 유연성, 휴대용 및 웨어러블 전자 장치에 적용될 수 있는 가능성을 제시한다.

▲ 멕신 섬유의 전기전도도를 기존의 연구된 섬유들과 비교하였다. 순수 멕신 섬유의 전기전도도는 기존의 멕신 복합 섬유보다 27~107배 우수하였으며, 그래핀 섬유보다 12~220배 우수하였다. 또한 순수 멕신 필름의 전기전도도 보다 약 3배 우수했다.

한태희 교수는 “순수 멕신 섬유의 연속 대량 생산을 위한 습식 방사 기술은 멕신의 나노 수준에서의 잠재력을 마이크로 스케일에서 활용할 수 있는 방법”이라면서 “멕신의 종류는 수십 여종으로 매우 다양하기 때문에 우리 연구가 다른 멕신의 섬유화 연구에도 범용적으로 활용될 수 있을 것으로 예상한다”고 밝혔다.

이번 연구를 통해 다양한 특성을 가진 각각의 신소재 섬유들을 만들어 낼 수 있을 것으로 기대된다. 제조된 멕신 섬유는 전도성이 높고 1m 이상의 긴 길이를 가지기 때문에 웨어러블 디바이스 제조가 가능하고, 가스 감지 효과도 있어서 의복형 센서로도 이용 가능할 것으로 보인다.

이번 연구에서 사용된 멕신은 상온에서 제조되었음에도 불구하고, 그래핀 섬유와 비슷한 전기전도도를 갖는 놀라운 결과를 보여주었다. 저온 공정을 통한 높은 전기전도도 특성은 산업적으로 응용이 가능할 것으로 예상된다.

한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 대학중점연구소사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 4일 게재되었다.

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