우리 학교 화학과 윤동기 교수가 이끄는 연구팀이 지난 9월 24일 성균관대학교 구종민 교수, 고려대학교 강윤찬 교수, KIST 김선준 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 차세대 신소재인 맥신(MXene)을 수직으로 세우고 한 방향으로 배향하는 데 성공했다고 밝혔다.
 

맥신이란?

 맥신은 티타늄 탄화물 층들 사이사이에 알루미늄이 끼어 샌드위치 같은 형태를 보이는 MAX 결정에서부터 합성된다. 이때, MAX 결정에서 M은 티타늄과 같은 전이금속, A는 알루미늄을 포함하는 13•14족 원소, X는 탄소•질소를 의미한다. 이러한 MAX 결정에 불산,염산 등을 이용하여 산 처리를 해주면 알루미늄층이 식각*(etching)되어 티타늄 탄화물층(Ti3C2)가 분리되고, 산 처리 과정에서 남은 과량의 산 혹은 물과 재차 반응하여 탄화물층의 표면에 OH, O, F 등의 기능기들이 빽빽하게 자리 잡게 된다. 이렇게 만들어진 2차원 소재가 맥신이다.

 맥신은 합성의 시작점인 MAX 결정의 정의에 따라 전이금속의 종류별로 여러 종류의 맥신을 만들 수 있을 뿐만 아니라, 그래핀처럼 대체로 얇고 기계적으로 강하며 전기전도성이 높다는 장점이 있다. 무엇보다도, 맥신은 표면 기능기가 빽빽하게 붙어있기 때문에 물,에탄올 등 다양한 용매에 녹을 수 있어 가공성이 뛰어나다는 점이 가장 큰 장점이다.

맥신을 수직으로 배열하다

 맥신은 표면에 O, OH, F 등 기능기들이 빽빽하게 자리잡고 있다. 그런데, 기능기들은 일반적으로 전기음성도가 매우 크므로 맥신의 표면은 굉장히 큰 음전하를 가진다. 이에 따라, 맥신 시트들을 쌓으려고 하면 표면 음전하 간의 반발로 인해 맥신 시트 간에 반발력이 발생한다. 더불어, 맥신과 같이 막대기/판 형태로 생긴 구조체들은 전기장을 걸었을 때 방향성을 가진 쌍극자들이 외부 전기장을 따라 분극되면서 가해진 전기장과 평행해지도록 만드는 외부 토크를 받게 된다. 결과적으로, 전기장 내의 구조체들은 쌍극자에 가해지는 토크에 따라 가해지는 전기장에 평행하게 배열된다.

 연구진은 이러한 맥신의 서로에 대한 반발성과 전기장 내에서의 일렬 배열 가능성을 접목하는 방식을 채택했다. 바로, 맥신 시트들을 높이가 아주 낮은 수조에 가두고 전기장을 가하는 방식으로, 이때 맥신 시트들은 전기장에 의해 배열되는 동시에 표면의 음전하로 인해 서로 반발하는 힘이 작용하게 되어 수평적인 배열보다 수조 바닥에 대해 수직하게 선 상태로 배열하게 된다.

기존 연구와의 차이점

 맥신을 바닥에 수직이 되도록 배열하기 위해 사용되던 기존의 방식들은 표면에 활성제나 탄소나노튜브 등의 첨가제를 넣거나 패턴된 틀 등으로 구조를 만들어 간접적으로 세우려는 시도였기에 맥신의 고유 성질을 제대로 이용하기 힘들고 매우 국소적인 부분에서만 수직 배향이 가능하다는 단점이 있었다. 이러한 이유로 인해, 지금까지 수직 배향 맥신들은 고효율 축전지들의 응용 방안으로만 활용되었다. 
연구진은 이번 연구가 순수한 맥신을 대면적에서 수직으로 배향하고 그 상태에서 방향성까지 자유자재로 조절할 수 있다는 차이점이 있기에 축전지 외에도 고효율 편광판, 빠른 반응성을 지니는 가스 센서를 구현하는 등 다양한 활용 방안을 가질 것으로 기대된다고 밝혔다.

연구의 시작점

 이번 연구에 제1 저자로 참여한 이창재 화학과 박사과정, 박순모 나노과학기술대학원 박사과정과 윤동기 교수는 “핸드폰/TV 화면 안에 들어있는 액정 소재들이 전기장을 가하면 그 방향대로 정렬되는 현상을 랜덤하게 분산되어 있는 2차원 물질 용액에도 적용할 수 있지 않을까, 그런데 이렇게 얇은 물질들이 수직으로 배향되는 것이 말이 될까?”라는 생각이 들어 빨리 이를 확인해보고 싶은 마음이 연구의 시작점이었다고 밝히며, “학생들이 연구를 비롯해 다양한 활동에서 즐거움을 동반한 호기심을 가지고 생활했으면 좋겠다.”고 덧붙였다.

식각*
사용하는 소재에서 필요한 부위만 방식 처리를 한 후 부식시켜서 불필요한 부분을 제거하여 원하는 모양을 얻어내는 가공의 방식