나노종합기술원(원장 이조원)은 과학기술정보통신부 나노및소재기술개발사업의 지원을 받아, 극한 환경에서도 견딜 수 있는 혁신적인 맥신(MXene) 소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 맥신은 전기전도성이 뛰어난 2차원 나노 소재로, 에너지 저장소자, 센서, 전자파 차폐 등 다양한 분야에서 활용될 잠재력을 가지고 있다.

[그림 1] 피롤 처리된 맥신의 모식도 및 상온에서의 산화 안정성 테스트 (700일까지) 
설명 : 그림 상단에는 기존의 맥신과 피롤처리한 맥신의 산화특성을 비교하는 모식도이며, 그림 하단의 사진은 상
온에서 700일동안의 산화 테스트. 아무런 처리하지 않은 맥신 (pristine MXene, 검은색 용액)은 상온에서 한달 만에 
완전히 산화되어 용액이 무색/투명하게 변하게 되나 (검은 맥신이 무색/투명한 TiO2 입자로 변함), 피롤 리간드로 
표면처리된 맥신은 700일 동안 용액 색이 변하지 않고 검게 유지. 중간의 피리딘(pyridine) 처리된 맥신은 약 80일
동안 용액색이 변하지 않으나, 200일 이후에는 마찬가지로 산화되어 갈색으로 색이 변함.

이번 연구에서 개발된 맥신 소재는 특히 공기 중이나 용액에서 쉽게 산화되는 문제를 극복하였다. 연구팀은 피롤(Pyrrole)이라는 유기 분자를 맥신 표면에 결합하는 새로운 기술을 개발, 소재의 산화 안정성을 획기적으로 향상시켰다. 개발된 소재는 상온에서 700일, 70도에서 6주, 그리고 강산화제인 과산화수소(H2O2) 하에서는 50일 동안 변질되지 않는 우수한 산화 저항 특성을 보였다.

이용희 선임연구원은 "이번 연구는 맥신 소재의 상용화를 앞당기는 데 큰 기여를 할 것이며, 국방, 항공, 우주 등 극한 환경에서도 소재 활용이 활발해질 것으로 기대된다"고 말했다. 또한, 피롤 처리된 맥신을 활용한 에너지 저장소자를 제작했을 때, 에너지 저장 용량이 기존 소재 대비 40% 향상되었다고 전했다.

[그림 2] 피롤 처리된 맥신과 기존의 맥신의 고온 (70도) 및 강산화제 (H2O2)에서의 산화안정성 비교
설명 : 아무런 처리하지 않은 맥신 (pristine MXene)은 고온(70도)에서 하루 만에 완전히 산화되나, 피롤 처리된 
맥신은 6주 동안 산화되지 않음. 뿐만아니라, 강산화제인 과산화 수소 조건에서는 (H2O2 9.7 mmol) pristine 
MXene이 5분만에 산화되어 색이 변하나 피롤 처리된 맥신은 50일 동안 맥신 구조를 유지함.

이조원 원장은 "이번 연구 결과를 바탕으로 마이크로 슈퍼캐패시터, 센서, 배터리 소자 등에 신뢰성이 향상된 맥신 소재를 활용할 수 있게 되었다"며, "향후 초미세 패터닝, 초소형화, 초박막화 등 차세대 반도체 소자 기술 개발에도 크게 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료 분야 세계적 권위지인 'Advanced Functional Materials'의 2022년 12월호 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정되어 그 중요성을 인정받았다.