맥신 신소재 대량생산 길 열렸다

맥신(MXene)은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 전기전도성이 높고 여러 금속화합물과 조합할 수 있어 반도체나 전자기기, 센서 등 다양한 분야에서 활용이 기대된다.

맥신을 제대로 활용하려면 표면에 덮인 분자의 종류와 양을 아는 것이 중요하다. 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 전자파 차폐 효율이 떨어진다. 하지만 두께가 1㎚에 불과해 고성능 전자현미경으로도 표면에 붙은 분자를 분석하는데 수 일이 소요돼 대량생산이 어렵다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 한‧인도협력센터 이승철 박사 연구팀이 맥신의 자기수송(Magnetoresistance) 특성을 이용, 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 17일 밝혔다.

간단한 측정으로도 맥신의 분자 분포를 분석할 수 있어 생산 과정에서 품질 관리가 가능해진다. 대량생산의 길이 열리리란 기대다.

연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했다. 그 결과, 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다.

개발된 물성예측 프로그램을 통해 맥신의 표면을 분석한 결과, 자기수송에 영향을 미치는 홀산란인자(Hall Scattering Factor)가 표면 분자의 종류에 따라 극적으로 변한다는 점을 예측했다. 홀산란인자는 반도체 물질의 전하 운반 특성을 나타내는 물리적 상수다. 동일한 맥신을 제조하더라도 홀산란인자는 불소인 경우 가장 높은 2.49, 산소의 경우 0.5, 수산화물의 경우 1의 값을 보임을 확인했으며, 이를 통해 분자의 분포를 분석할 수 있었다.

맥신에서 예측된 홀산란인자 맥신에서 홀산란인자를 측정하기 위한 방법으로 B는 자기장의 방향을 의미하며 원래 직선으로 진행해야 할 전자가 자기장에 따라 오른쪽으로 휘는데 표면 작용기에 따라 휘는 정도가 달라진다. (자료=KIST)

맥신은 홀산란인자 값에 따라 응용 분야가 달라진다. 1보다 낮은 값을 가진 경우 고성능 트랜지스터, 고주파 생성 소자, 고효율의 센서, 광검출기 등에 활용 가능하며, 1보다 높은 값을 가지면 열전소재나 자기센서 등에 응용할 수 있다. 맥신의 크기가 수 나노미터 이하임을 고려하면 응용가능한 소자의 크기 및 필요 전력량을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

이승철 센터장은 "순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 새 표면 분자 분석법을 개발한 것에 의의가 있다"라며 "이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다"라고 밝혔다.