한국과학기술원(KAIST) 연구진이 자기저항 특성을 활용해 나노물질 MXene의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발해 품질 관리 단순화와 대량 생산의 길을 열었다. 이 연구는 또한 홀 산란 계수를 기반으로 하는 MXene의 다양한 응용을 강조합니다. 연구진은 MXene 표면에 부착된 분자의 자기 수송 특성을 사용하여 분석 모델을 개발했습니다. 성능 예측 및 분류 시스템의 구축은 균일한 품질의 MXene을 생산하는 데 유용할 것으로 기대됩니다.
2011년에 개발된 MXene은 금속층과 탄소층이 교대로 이루어진 2차원 나노물질이다. 전도성이 높으며 다양한 금속 화합물과 결합할 수 있습니다. 반도체, 전자장비, 센서 등 다양한 산업분야에 활용될 수 있는 소재입니다.
MXene을 제대로 활용하려면 표면을 덮고 있는 분자의 종류와 개수를 이해해야 한다. 표면을 덮고 있는 분자가 불소이면 전도성이 떨어지며 전자파 차폐 효율도 떨어진다. 하지만 MXene의 두께는 1나노미터(나노미터-10억분의 1미터)에 불과해 고성능 전자현미경으로도 표면의 분자를 분석하는 데 며칠이 걸려 지금까지 대량생산이 불가능했다.
MXene 표면 분석의 획기적인 진전
한국과학기술원 인도과학기술센터(IKST) 이승철 소장 연구팀이 MXene의 자기저항 특성을 활용해 표면 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다. 이 방법을 사용하면 간단한 측정을 통해 MXene의 분자 분포를 측정할 수 있어 생산 과정에서 품질 관리가 가능해 지금까지 불가능했던 대규모 생산의 길을 열 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 표면에 부착된 분자에 따라 전도성이나 자성이 변한다는 생각을 바탕으로 2차원 물질의 특성을 예측하는 프로그램을 개발했다. 따라서 연구진은 별도의 추가 장비 없이 상압 및 상온에서 MXene의 자기수송 특성을 계산하고 MXene 표면에 흡착된 분자의 종류와 개수를 성공적으로 분석했다.
홀 산란 계수 및 그 응용
개발된 물성예측 프로그램을 이용하여 MXene 표면을 분석함으로써 표면의 분자 종류에 따라 자기 전달에 영향을 미치는 홀 산란 계수가 크게 변화할 것으로 예측하였다. 홀 산란 계수는 반도체 재료의 전하 운반 특성을 설명하는 물리적 상수입니다. 연구팀은 동일한 MXene을 준비하더라도 홀 산란계수 값이 2.49로 불소가 가장 높고, 산소가 0.5, 수산화물이 1임을 알아내 분자 분포를 분석했다.
홀 산란 계수는 값에 따라 다른 용도로 사용됩니다. 값이 1보다 작으면 고성능 트랜지스터, 고주파 발생기, 고효율 센서, 광검출기에 적용할 수 있습니다. 값이 1보다 크면 열전재료나 자기센서 등에 적용할 수 있다. MXene의 크기가 수 나노미터 이하에 불과하다는 점을 고려하면 적용 가능한 장치의 크기와 필요한 전력을 크게 줄일 수 있습니다.
결론 및 향후 전망
IKST 이승철 원장은 “기존 순수 MXene의 생산과 특성에 초점을 맞춘 연구와 달리, 제조된 MXene을 쉽게 분류할 수 있는 새로운 표면 분자 분석 방법을 제시했다는 점에서 이번 연구의 의의가 있다”며 “이번 결과와 실험적 연구를 결합해 MXene의 생산 공정을 제어해 균일한 품질의 MXene을 대량 생산할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.