종이 1만분의 1 두께 신소재…韓연구진들 수직으로 세웠다

전기장을 따라 나란히 수직으로 선 신소재 '맥신'(MXene). / 사진제공=카이스트(KAIST·한국과학기술원)

카이스트(KAIST·한국과학기술원) 연구진이 종이보다 약 1만분에 1 정도로 얇은 신소재 '맥신'(MXene)을 수직으로 세우는 데 성공했다. 맥신은 전자파를 막는 차세대 신소재로, 평상시 수평 상태로 누워있는 물질이다. 연구진이 맥신의 방향을 자유자재로 제어함에 따라 향후 센서나 디스플레이, 축전지 등에 관련 기술을 적용할 수 있을 것으로 보인다.


윤동기 카이스트 화학과 교수 연구팀은 11일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 세계 최초로 맥신을 수직으로 세운 연구 결과를 게재했다고 밝혔다. 이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST), 고려대·성균관대와 공동으로 진행했으며 논문의 혁신성을 인정 받아 '편집자 주목사항'(Editors' Highlights)으로 소개됐다.

맥신은 티타늄과 같은 전이금속과 탄소·질소로 이뤄진 2차원 물질이다. 전기전도도와 전자파 차폐 능력이 좋을 뿐만 아니라 가볍고 다른 용매에 잘 녹아 가공성이 좋다는 장점이 있다.

하지만 종이와 같은 성질 때문에 수평으로 누워 있는 형태를 띤다. 누워 있는 상태를 수직으로 바로 세우려면 다른 첨가물을 혼합해야만 했고 결과적으로 맥신의 순수한 특성을 파악하기 어려웠다. 또 마이크로미터 단위의 좁은 영역에서만 수직 배열을 만들 수 있는 한계가 있었다.

맥신이 전기장 하에서 수직으로 정렬되는 원리. / 사진제공=카이스트(KAIST·한국과학기술원)

연구팀은 맥신에 전기를 가하면 첨가물 없이 맥신을 '수직'으로 세울 수 있다고 판단했다. 맥신 표면은 강한 음전하(-)를 띠고 있고, 100마이크로미터 두께의 얇은 셀에선 음전하끼리 모여 서로 멀어지기 위해 수직으로 설 수 있다고 본 것이다.


실험 결과, 맥신은 전기장에 따라 수직으로 세울 수 있다는 사실이 확인됐다. 특히 전기장이 인가된 상태에서 맥신을 순간적으로 얼린 뒤 승화하는 방법을 사용할 경우, 맥신이 나노미터 수준에서도 수직으로 서는 모습이 전자 현미경을 통해 포착됐다.

연구팀은 또 맥신의 배향은 전기장의 방향에 따라 자유롭게 조절했다. 맥신의 배향을 자유롭게 할 수 있다는 건 어느 디스플레이에든 이 기술을 적용할 수 있다는 의미다. 이와 함께 연구팀은 전극을 다양하게 디자인해 풍차 모양을 만들고, 글자까지 쓰는데 성공했다.

윤동기 교수는 "이번 연구는 불가능하다고 여겨졌던 맥신의 수직 정렬을 구현했다"며 "맥신의 방향성 제어, 대면적 제작 등이 가능해진 만큼 전자파를 필요에 따라 차폐할 수 있고 이 외에도 광학, 센서, 전자 패키징, 디스플레이 등 분야에 응용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

맥신이 전기장 인가 여부에 따라 변하는 모습. / 사진제공=카이스트(KAIST·한국과학기술원)