조정호 교수팀, 성균관대 조새벽 교수와 전자파 차폐용 2차원 신소재 MXene의 범용성 잉크 개발

차세대 2차원 나노소재 MXene의 상용화를 위한 고성능·고안정성 잉크 분산제 개발

세계적인 학술지 ‘Science Advances’ 게재

[사진. 조정호 교수(왼쪽), 성균관대 조새벽 교수]

공과대학 화공생명공학과 조정호 교수·성균관대 화학공학부 조새벽 교수 연구팀은 2차원 나노 신소재 ‘맥신(MXene)’이 기존에 가지고 있던 성능·안정성·공정 한계를 동시에 극복할 수 있는 범용성 잉크 분산제 개발에 성공했다.

맥신은 그래핀과 같은 차세대 2차원 나노소재의 한 종류로, 전이 금속 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이 원자 단위의 층을 이루고 있는 물질이다. 구성 물질이 금속 및 탄소로 이뤄져 있어 매우 높은 전기전도성을 가지는 것으로 알려져 있으며, 2차원 원자층이 켜켜이 쌓여 있는 특수한 나노구조로 인해 두께 대비 높은 전자파 차폐 성능을 가지고 있어 반도체·전자·통신·건축·군사기술 등 다양한 산업적 응용이 기대돼 왔다. 

그러나 재료 표면이 가지는 친수성으로 인해 주로 수용액 혹은 극성용액 형태로만 제조할 수 있다는 한계가 있어, 첨단 전자소재 제조 공정에 적합한 무극성 잉크 및 건축에 필요한 염용액 잉크 등 범용성을 가지는 잉크 제조 기술이 상용화의 필수 요건으로 주목됐다. 또한 기존 수용성 잉크의 낮은 산화 안정성 및 프린팅된 소재의 낮은 기계적 안정성 또한 다양한 응용 분야로의 적용에 걸림돌로 지적돼 왔다. 

본 연구에서는 이러한 한계를 동시에 극복하고자, 분자구조가 미세하게 제어된 양극성 고분자 물질을 맥신의 표면에 촘촘하게 안착시키는 방법을 통해 용매의 종류와 무관하게 분산성을 확보할 수 있는 새로운 분산제를 개발했다. 

‘폴리카복실레이트(Polycarboxylate ether)’ 기반의 이 분산제는 친수성과 소수성을 모두 가지고 있어 맥신의 표면과 강하게 상호작용함과 동시에 맥신 나노입자 사이의 상호작용은 약화시키는 이중적 특성을 부여할 수 있으며, 이를 통해 기존에 사용할 수 없었던 무극성 용매에 맥신을 안정적으로 분산시키는 데 성공할 수 있었다. 

그뿐 아니라 바닷물과 같은 가혹한 조건의 이온성 용매에까지도 높은 분산성을 유지할 수 있는 것을 확인해, 범용적인 잉크 제조 기술로서의 가능성을 확인했다.

[그림. PCE 폴리머 분산제의 분산 메커니즘과 극성/무극성 용매에서 분산된 MXene 사진 및 표면 보호효과로 인한 산화방지 효과 결과]

연구진이 개발한 범용성 맥신 잉크를 원하는 표면에 도포하거나 콘크리트 등 기존 재료에 혼합할 경우, 맥신 자체의 우수한 전도성 및 전자파 차폐 성질은 그대로 유지하면서도 분산제가 재료의 표면에 대한 보호막 및 가교제 역할을 동시에 수행해 기존 소재의 기계적 강도 및 산화 안정성 문제까지 해결할 수 있었다.

조정호 교수는 “본 연구는 학계에 머물러 있던 ‘MXene’이라는 차세대 2차원 소재를 산업계로 그 분야를 확장할 수 있는 징검다리와 같은 역할을 할 기술로 기대된다.”고 밝혔다.

본 연구는 국토교통부가 주관하는 건설기술연구사업(주관: 한국건설기술연구원 EMP 방호시설연구단)의 지원으로 진행됐으며, 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3월 30일(현지시간) 게재됐다. 조정호 교수 연구팀의 박경석 연구원, 호동해 박사, Lyu Benzheng 박사가 공동 제1저자, 조정호 교수, 성균관대 조새벽 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

논문정보

● 논문제목: Comb-type polymer-hybridized MXene nanosheets dispersible in arbitrary polar, nonpolar, and ionic solvents

● 논문주소: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5299

용어설명

● MXene: 2차원 무기 화합물의 한 종류로 전이 금속 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이 원자단위로 층을 이루며 높은 전도도 및 표면 화합물의 개질이 유용한 물질

● 분산제: 유/무기 화합물을 각종 용매에 녹이기 위한 물질로, 용질과 용매의 특성을 고려해 분산을 촉진시키는 물질