최근 국내외 과학계를 떠들썩하게 한 상온 상압 초전도체 물질 LK-99에 이어 또 다른 혁신 소재인 '맥신'(MXene)이 이목을 끌고 있습니다. 재현 시도가 모두 실패한 LK-99와 달리, 맥신은 국내 연구진이 대량생산할 수 있는 모델을 개발하면서 실현 가능성이 높은 소재로 평가되고 있습니다.

맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 높은 전기전도성 갖추고 여러 금속화합물과 조합할 수 있어 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용할 수 있는 소재입니다.

21일 한국과학기술연구원(KIST)에 따르면 최근 한‧인도협력센터 이승철 박사 연구팀은 맥신의 자기수송 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 밝혔는데요. 해당 방법을 이용하면 간단한 측정만으로도 맥신 표면에 덮인 분자를 분석할 수 있어 대량생산의 길이 열릴 것이라는 설명입니다.

지금까지 맥신을 대량생산하는 것은 사실상 불가능했습니다. 맥신을 제대로 활용하기 위해선 표면에 덮인 분자의 종류와 양을 아는 것이 중요한데, 두께 1nm(나노미터·10억분의 1m)에 불과한 맥신의 표면에 붙은 분자를 분석하기 위해서는 고성능 전자현미경으로도 수일이 소요됐기 때문입니다.

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

이승철 KIST 한‧인도협력센터센터장은 "순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 표면 분자 분석에 새로운 방법을 개발한 것에 의의가 있다"라며 "이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다"라고 전했습니다.

한편, 해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 운영되는 KIST 주요사업으로 나노과학 분야 국제 학술지인 'Nanoscale'의 올해의 주목할 만한 논문(2023 Hot Article Collection)으로 선정되기도 했습니다.

맥신은 미국 드렉셀대학교(Drexel University) 연구원들에 의해 2010년 처음 발견된 것으로, 전이금속의 질화물 및 탄화물로 구성된 2차원 층상 나노물질입니다. 이 소재는 드렉셀대학교의 나노신소재연구소 연구원들이 'MAX 단계'라고 불리는 층상 탄화물로부터 알루미늄의 원자적으로 얇은 층을 에칭하고 박리하는 과정에서 개발됐습니다. M은 전이 금속, A는 A족 금속, X는 탄소 및 질소를 나타냅니다. 맥신은 최초 발견 이후 10여년 동안 재료의 특성과 응용 범위가 기하급수적으로 증가하면서 2D 재료 환경의 핵심 소재로 평가받고 있습니다.

맥신의 주요 특징은 금속에 비해 가볍고 저렴한 비용, 높은 금속 전도성, 친수성 및 물에 분산될 수 있는 높은 음의 표면 전하, 기존 금속을 능가하는 전자파 차폐(전자파 차단) 성능 등입니다. 특히 전도도는 환원된 산화 그래핀(rGO) 필름에 비해 5-10배 더 높으며, 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성이 있어 용액공정이 가능합니다. 또 맥신은 다양한 전이금속과 결합을 통해 많은 구조와 구성을 만들 수 있어 광학, 촉매, 전기화학적 및 기타 특성을 매우 광범위하게 조정할 수 있습니다.

맥신은 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 높은 에너지 저장 기능으로 슈퍼커패시터(에너지를 저장한 뒤 필요할 때 순간적으로 고출력 전기를 보낼 수 있는 에너지 저장장치), 리튬 이온 배터리의 대안, 나노발전소 및 수소 저장소에서 유용하게 활용될 수 있습니다. 또한 소재의 높은 전기 전도성, 생체 적합성, 친수성 및 넓은 표면적으로 암 감지와 같은 바이오센서 응용 분야에 도움이 될 것으로 기대되고 있습니다. 실제로 일부 연구에서는 맥신이 암 조직의 정확한 탐지와 이미지화에 도움이 될 수 있다는 결과가 나왔습니다.

또 다른 유망한 응용 분야는 가스 감지입니다. 맥신 기반의 가스 센서는 암모니아, 알코올, 이산화질소 및 이산화황을 포함한 다양한 가스에 대해 높은 감도와 선택성을 보여주고 있으며, 이로 인해 환경 모니터링, 산업 안전 및 의료 응용 분야에 사용될 수 있습니다.