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종이보다 10,000배 얇은 신소재 맥신을 수직으로 세우는 데 성공
우리 대학 화학과 윤동기 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST)김선준 박사 공동연구팀이 성균관대학교 구종민 교수와 고려대학교 강윤찬 교수팀과의 협업으로 전자파 차폐·흡수가 가능한 차세대 신소재인 맥신(MXene)을 세계 최초로 수직으로 세우고 한 방향으로 배향하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.
종이 한 장 혹은 여러 장을 평평한 바닥에 수직으로 세우는 일은 불가능하다고 사람들은 말한다. 왜냐하면 얇고 유연하기 때문이다. 윤동기, 김선준 공동연구팀은 일반 종이의 만분의 일보다 더 얇고 유연한 맥신 나노 시트를 수직, 일렬 정렬시킬 수 있는 기술을 개발하였다.
맥신이란 전이 금속인 티타늄과 유기물인 탄소로 이루어진 이차원 물질이다. 전기적인 특성이 뛰어난 그래핀과 비슷하게 전도성이 좋으면서 가볍다는 특징 이외에도, 다양한 용매들에 잘 녹아 가공성이 좋다는 장점이 있지만, 종잇장과 같은 성질로 인해 수평으로만 배향된 연구가 지금까지 이뤄져 온 것이 지배적이었다. 이번 연구에서는 친환경 용매인 물에 분산된 맥신 나노 시트에 교류 전기장을 인가하면 전기장을 따라 일렬로 정렬되는 현상에 연구팀은 주목했다. (그림 1)
이때 맥신의 표면은 강한 음전하를 띠기 때문에, 100마이크로미터 두께의 얇은 셀에서 서로 최대한 멀어지기 위해서 맥신 시트는 수평이 아닌 수직으로 배열된다. 그리고 물에 분산된 맥신 나노 시트의 수직 배열은 전기장의 유무에 따라 가역적으로 조절될 수 있다.
전기장이 인가된 상태에서 맥신을 순간적으로 얼린 뒤 승화 현상을 이용해 건조시키는 동결 건조 방법을 사용할 경우, 맥신 나노 시트들이 나노미터(머리카락 두께의 십 만분의 1) 수준의 얇은 모서리로 바닥을 딛고 수직으로 서 있는 모습을 전자 현미경을 통해 직접 확인할 수 있다. (그림 2)
기존의 다른 연구들에서는 이를 수직으로 세우기 위해 다른 첨가물을 혼합해야 했기에 맥신이 가진 특성을 활용하기 어려웠고, 마이크로미터 단위의 매우 좁은 영역에서만 원하는 수직 배열이 만들어지는 한계점들이 있었다. 전기장을 사용하는 이번 연구 방식은 순수한 맥신으로 센티미터 단위의 대면적 제작이 가능하고 자동화 공정에도 유리하다는 장점이 있다.
게다가 수직으로 정렬된 맥신의 배향은 전기장의 방향에 따라서 자유롭게 조절할 수 있다. 연구팀은 전극을 다양하게 디자인함으로써 풍차 모양을 만들 수 있고, 심지어는 글자까지 쓸 수 있다는 것을 연구팀은 최초로 선보였다. (그림 3)
현재, 맥신을 수직으로 세우는 일은 이온의 빠른 이동을 유도해 높은 정전 용량을 가진 축전지를 제작할 수 있기에 많은 주목을 받고 있다. 이번 연구 결과를 통해 가역적 조절, 대면적 제작, 방향성 제어 등의 장점들을 이용하면 고용량 축전지 뿐만 아니라, 맥신의 가장 널리 알려진 응용처인 우수한 전자파 차폐 특성도 필요에 따라 가역적으로 조절할 가능성을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 이 외에도 광학, 센서, 전자 패키징 등 더 다양한 분야에 수직 정렬 맥신을 응용할 수 있을 것이다.
화학과 윤동기 교수는 "이차원 물질들이 전자파를 막을 수 있는 얇은 선글라스용 렌즈라고 했을 때, 기존의 연구는 수평으로 정렬된 맥신 시트들이기에 일반 선글라스와 마찬가지의 성능을 나타냈다면 이번 연구 결과를 통해 렌즈를 수직으로 세워서 그 방향으로 전자파를 흡수, 혹은 차폐시키는 효과를 낼 수 있기에 기존의 한계점들을 극복하면서 이차원 물질들의 장점을 극대화할 수 있을 것ˮ이라며, "이번 연구는 불가능하다고 여겨졌던 이차원 물질의 수직 정렬을 구현할 수 있는 효율적이면서 어디에나 쉽게 적용 가능한 혁신적인 플랫폼을 개발한 것이라고 볼 수 있다ˮ고 연구의 의의를 설명했다.
우리 대학 화학과 박사과정 이창재 학생, 나노과학기술대학원 석박사통합과정 박순모 학생이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)'에 게재됐고 해당 저널에서 우수성을 인정받아 에디터 하이라이트(Editors’ Highlights)에 소개됐다. (논문명: Field-induced orientational switching produces vertically aligned Ti3C2Tx MXene nanosheet)
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부-한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.10.11
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압력과 인장을 구분하는 무선통신 전자 소자 개발
우리 대학 신소재공학과 스티브 박, 김상욱 교수 공동 연구팀이 신물질을 이용해 압력과 인장(늘이기)을 구분할 수 있는 무선통신 소자를 개발했다고 22일 밝혔다.
공동 연구팀은 무선통신에 활용되고 있는 전기 공진기(electrical resonator)가 여러 정보를 전달할 수 있다는 사실에 주목했다. 원거리에서 여러 자극을 측정할 수 있는 효과적인 정보처리시스템의 경우 최근 주목받고 있는 웨어러블과 임플란터블(체내이식형) 소자 등 다양한 분야에서 폭넓게 활용되고 있다.
특히 수동형 소자들로 만들어지는 전기 공진기는 원거리 통신이 가능할 뿐만 아니라 다양한 기능성 재료(생분해성 물질, 자가치유 물질)로 구현이 가능해 웨어러블·임플란터블 소자 분야에서 연구가 활발히 진행되고 있다.
전기 공진기의 무선통신 신호는 2개의 요소, 즉 공진기의 정전용량에 의해 결정되는 '공진주파수'와 공진기에 저장된 전자기파 에너지에 의해 결정되는 '품질 인자(quality factor)'에 의해 결정된다. 따라서 최소 두 가지 정보를 포함할 수 있다.
기존에는 공진기의 신호를 변화시킬 수 있는 메커니즘과 관련된 물질의 특성 및 소자의 구조에 대한 전반적인 이해가 부족했기 때문에 효과적인 신호처리를 위한 시스템 구축에는 많은 제약이 따랐다. 특히, 공진주파수와 품질 인자의 변화를 분화하기 위해서는 공진기의 저장된 전자기파를 차폐할 수 있는 신물질이 필요한데 공동 연구팀은 2차원 신물질인 '맥신(MXene)'을 사용했다.
연구팀은 '맥신(MXene)'이 사용할 수 있는 합성 재료 중 가장 우수한 전자기장 차폐능력을 갖췄다고 판단했기 때문이다. 연구팀은 우선 압력에 따라서 기공이 닫히는 다공성 탄성체에 Ti3C2Tx 조성의 맥신을 코팅해 외부 자극에 따라 공진기의 저장된 에너지를 변형시킬 수 있는 센서로 활용했다. 이때 탄성체와 맥신 사이에 나노 접착제 역할을 하는 *폴리도파민을 도입해 2,000번 이상의 반복적인 수축과 이완에도 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 소자를 만들었다.
☞ 폴리도파민(poly-dopamine): 바다생물 홍합이 물속에서 바위에 몸을 붙일 때 내는 접착 물질을 도파민이라고 하고, 이를 고분자화하여 중합체 형태로 만든 물질.
나아가, 연구팀은 딥러닝 기법을 적용해 미리 학습됐던 압력과 인장 자극을 구분해 정확하게 맞추고, 학습되지 않은 새로운 압력과 인장 자극도 약 9%의 오차 이내로 맞출 수 있는 시스템을 구현하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 소자는 무선으로 기계적 자극을 구분해 측정할 수 있고, 생체친화적이며 가볍기 때문에 웨어러블 소자로 활용이 가능한 게 장점이다. 공동 연구팀은 이 밖에 새로 개발한 소자를 기반으로 정형외과 수술 이후 재활 치료를 하는 과정에서 부상을 방지할 수 있는 모니터링 시스템을 개발, 구축했다.
스티브 박 교수는 "최근 주목받고 있는 무선통신 소자의 신호처리에 대해 새로운 방향을 제시하고 신물질인 맥신의 다양한 적용 가능성을 보여준 의미있는 연구성과"라면서 "헬스케어를 위한 웨어러블, 임플란터블 모니터링 전자소자에 활용될 것으로 기대된다" 라고 말했다.
우리 대학 신소재공학과 이건희, 이강산 박사과정 학생이 공동 제1 저자로 참여한 연구논문은 국제 학술지 'ACS Nano' 8월 19일 字 온라인 버전에 게재됐다. (논문명 : Deep-Learning-Based Deconvolution of Mechanical Stimuli with Ti3C2Tx MXene Electromagnetic Shield Architecture via Dual-Mode Wireless Signal Variation Mechanism)
한편 이번 연구는 KAIST 석박사모험 연구사업, KAIST 글로벌 특이점 연구사업, 과학기술정보통신부 리더연구자 지원사업인 다차원 나노조립제어 창의연구단의 지원을 받아 수행됐다.
2020.09.22
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이산화탄소 처리로 산화 티타늄 신소재 판형 맥신 합성 성공
우리 대학 생명화학공학과 이재우 교수 연구팀은 나노 신소재 *맥신(MXene)과 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 고르게 분포된 판형 구조의 맥신을 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
☞ 맥신(MXene): 전자파를 흡수하고 차단하는 신개념 초경량 나노 신소재. 전자 부품간 전자파 간섭을 고성능으로 차단할 수 있어 전자통신 제품에 활용할 수 있다.
이 교수 연구팀은 수용액 상태에서 표면을 벗겨낸(박리된) 맥신과 이산화탄소와의 반응을 통해 산화 티타늄 나노입자가 맥신 표면에 고르게 분포된 판형 맥신을 합성했다. 연구팀이 개발한 산화 금속이 고르게 분포된 판형 맥신은 단일공정으로 매우 경제적일 뿐만 아니라 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
생명화학공학과 이동규 박사과정생이 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 `ACS 나노 (ACS Nano)' 7월 30일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : CO2-Oxidized Ti3C2Tx-MXenes Components for Lithium-Sulfur Batteries: Suppressing the Shuttle Phenomenon through Physical and Chemical Adsorption).
맥신은 전기전도도가 높고 유연성이 뛰어나기 때문에 센서·에너지 저장/전환장치·전자기차 폐수처리 재료 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 신물질이면서 특히 그래핀이나 탄소나노튜브를 대체할 수 있는 차세대 물질로 주목받고 있다.
맥신을 리튬-황 전지의 양극 물질로 활용하기 위해서는 활물질인 황을 수용할 수 있는 공간을 제공해줘야 하고 또한 충‧방전 과정에서 생성된 리튬 폴리설파이드가 전해질에 녹아 음극 쪽으로 이동하여 발생하는 *셔틀 현상을 막을 수 있어야 한다.
☞ 셔틀 현상(Shuttle phenomenon): 방전 과정 중 리튬을 말단으로 가지는 황 체인인 중간물질(polysulfides)이 전해질에 녹아 양극과 음극 사이를 확산하면서 전지 내에서 소비되는 것으로서 결과적으로 양극 활물질 손실 및 사이클링 성능 저하를 초래한다.
맥신은 금속 *카바이드 형태로 *다공성이 거의 존재하지 않고 또 리튬 폴리설파이드와 상호작용이 적은 물질이기에 리튬-황 전지의 소재로 이용하기엔 적합하지 않다. 연구팀은 맥신이 포함된 수용액에 초음파를 주입하고, 맥신을 박리시켜 각 단일 맥신 층을 다량으로 제조한 후 충분한 공간을 확보하고 동시에 이산화탄소와 맥신 층을 반응시켜 표면에 리튬 폴리설파이드를 흡착할 수 있는 다량의 산화 티타늄 나노입자를 고르게 합성시켜 문제를 해결했다.
☞ 카바이드(carbide): 탄소와 그 밖의 하나의 원소로 이루어진 화합물.
☞ 다공성(porosity): 고체가 내부 또는 표면에 작은 빈틈을 많이 가지는 성질.
연구팀이 개발한 산화 금속이 고르게 분포된 판형 맥신 제작 기술은 맥신 전구체 종류에 상관없이 적용할 수 있다. 연구팀은 이와 함께 이 기술을 사용하면 길이 50~100 나노미터(nm), 지름 20 나노미터(nm)의 땅콩 모양의 나노입자들이 형성된 판형 맥신을 제조 가능함을 이번 연구를 통해 확인했다.
연구팀 관계자는 "산화 금속 판형 맥신 제조공정은 수용액처리 및 이산화탄소와의 반응으로 이뤄진 단순화된 공정이기 때문에 온도, 반응시간 조절로 다양한 판형 소자 제조 및 비용 절감이 가능하고 리튬-황 전지 성능을 강화하는데 기여할 것ˮ이라고 설명했다.
제1 저자인 이동규 박사과정 학생도 "이산화탄소와의 반응을 통해 제조된 산화 금속 판형 맥신은 리튬-황 전지의 양극뿐 아니라 분리막에 필름 형태로 성형해 셔틀 현상을 이중으로 방지할 수 있는 막을 제조할 수 있다ˮ면서 "균일한 금속산화물 나노입자가 형성된 판형 맥신은 전극 및 다양한 에너지 저장장치 소자에 사용될 것ˮ 이라고 소개했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 Global Research Development Center Program과 Korea CCS R&D Center 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
2020.08.25
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