MXene

 

1. MXene

 

MXene은 전이금속과 탄소·질소로 이루어진 2차원(2D) 전이금속 카바이드/나이트라이드 계열 재료이다. 일반적으로 화학식은 Mn+1 Xn Tx 꼴로 쓰는데, 여기서 M은 Ti, V, Nb 같은 전이금속, X는 C 또는 N, T는 합성 과정에서 붙는 –O, –OH, –F 같은 표면 작용기이다. 그래핀처럼 두께는 1 nm 이하의 얇은 층이지만, 가로 방향 크기는 훨씬 커서 얇고 넓은 도전성 소재다. 기존 MAX phase(Ti₃AlC₂)에서 A층(Al 등)을 화학적으로 깎아내 MXene(Ti₃C₂Tₓ 등)을 얻는다. 

 

쉽게 설명하자면, 금속 원자와 탄소·질소가 겹겹이 쌓인 얇은 철판을, 한 장씩 벗겨낸 초박형 전도성 종이 정도로 이해하면 좋다.

MXene은 MAX 상 구조에서 "A" 요소를 선택적으로 에칭(화학 약품의 부식 작용이나 이온 플라즈마를 이용해 금속, 유리, 반도체 웨이퍼 등 표면의 불필요한 부분을 깎아내거나 패턴을 형성하는 공정) 하여 생성된다.

 

 

2. 특성

 

MXene은 표면이 거의 모든 특성을 좌우한다. 주류 MXene인 Ti₃C₂ 계열의 표면을 STM/STS로 원자 단위까지 관찰해 보면 표면에 산소·수산기 등 기능기와 산화 클러스터가 불균일하게 분포해 있다. 표면 화학의 이질성 때문에 전기화학, 촉매, 이온 흡착 같은 반응이 강하게 일어나고, 조성과 표면 작용기를 조금만 바꿔도 금속성, 반도체성, 자기적 성질까지 폭넓게 조절할 수 있다. MXene는 높은 전기전도도, 큰 비표면적, 기계적 강도, 수용액에서의 분산성 등을 동시에 가져서 에너지 저장, 촉매, 센서, 웨어러블 등으로 파생되기 좋은 플랫폼 소재로 평가된다.

 

3. 분야

 

에너지 저장장치, 환경 정화, 전자·통신, 바이오·광전자 등 매우 다양한 분야에 쓰이고 있다.

 

• 에너지 변환·저장(배터리·슈퍼커패시터), 유연/웨어러블 전자소자, 화학·가스 센서, 바이오의료(이미징·약물 전달) 활용 등이 존재한다. 
• 고전도성과 큰 표면적으로 인해 전극재에 쓰였을 때는 기존 전극보다 높은 용량과 빠른 충·방전 특성을 보여 차세대 배터리·슈퍼커패시터 전극 후보로 논의되고 있다. 
• 또한 전자가 늘어나고 5G 같은 고주파 통신이 보편화되면서, 전자파 간섭(EMI)을 효과적으로 막는 얇고 가벼운 소재에 대한 수요가 커지고 있다. MXene 기반 복합재가 높은 전기전도도와 넓은 주파수 대역에서의 우수한 차폐 효율 덕분에 차세대 EMI 차폐재로 주목받고 있다. 특히 기존 금속 차폐재는 두껍고 무거운 반면, MXene 복합재는 얇은 두께로도 큰 차폐 성능을 낼 수 있다. 

 

4. 연구

 

 

고려대·노스웨스턴대 공동 연구팀은 전통 한지에 금속성 MXene와 수용성 고분자(PVA, PAA)를 결합해, 전도성과 내산화성이 높고 층간 간격이 넓어진 다기능 스마트 섬유를 개발했다. 이 섬유는 소량의 소금물을 떨어뜨렸을 때 수분 흐름만으로 60분 이상 안정적으로 전력을 생산했고, 낮은 전압에서도 발열 효과가 커서 체온 유지용 보호복 소재로도 활용 가능성이 있다. 또한 전자기파 차단 성능과 세탁 내구성까지 확보해 군사용 전자기기, 의료 센서, 스마트 의류에 쓸 수 있는 후보로 제시되는 중이다. 

 

아직 합성 조건, 산화 안정성, 대량 생산 같은 현실적인 문제들은 남아 있지만, 한지 스마트 섬유 사례처럼 실제 제품에 가까운 형식으로 나오는 연구도 등장하고 있어, 앞으로 더 자주 접하게 될 소재라고 전망된다. 

 

5. 정리

 

 

MXene는 높은 전도성과 넓은 표면, 다양한 표면화학 덕분에 에너지·환경·전자파 차폐·웨어러블까지 두루 응용 가능한 2차원 전이금속으로 아직 문제점들은 남아있지만, 새로운 연구들에서 활용도와 주목도가 높아지고 있다.

 

 

6. 참고 문헌

• MXene: A new revolution in the world of 2-D materials

https://ojs.acad-pub.com/index.php/ESC/article/view/1613

 

• Two-dimensional MXenes: recent emerging applications

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9443681/

 

• Mapping the surfaces of MXenes, atom by atom, reveals new potential for the 2D materials

https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240703131716.htm

 

• 고려대, 전통 '한지'에 신소재 '맥신' 더하기…'웨어러블 스마트 섬유' 개발

https://www.newsspace.kr/news/article.html?no=4248

 

• Research Trends in Electromagnetic Shielding using MXene-based Composite Materials

https://pure.seoultech.ac.kr/en/publications/research-trends-in-electromagnetic-shielding-using-mxene-based-co/