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| ‘맥신’ 물질 산화 반응 후 전자현미경 및 원자탐침단층현미경 결과. (자료제공=고려대학교) |
고려대학교는 신소재공학부 김세호 교수 연구팀과 독일 막스플랑크 연구소 밥티스테 골트 연구팀이 2차원 물질 ‘맥신(MXene)’을 원자단위에서 관찰하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
최첨단 원자 탐침 단층 현미경은 아주 얇은 바늘 모양으로 가공된 시편 표면의 원자들을 고전압 펄스를 가해 차례차례 전계이온 증발시켜 검출기에 충돌시킨다. 이후 원자의 충돌 위치와 순서, 충돌 원자의 질량 대 전하 비를 이용해 시편의 3차원 원자 분포를 이미징하는 분석 기술을 적용한다.
이는 3차원 원자단위 분석 및 화학적 정량 분석이 가능하며, 100억분의 1미터 단위의 공간 분해능과 모든 원소에 대해 동일한 화학분해능을 가지고 있어 나노물질을 분석하는 데 적합하다.
맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 높은 전기전도성을 갖추고 여러 화합물로 조합할 수 있다. 이에 배터리, 반도체, 촉매, 의료, 전자기기, 센서 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다는 점에서 꿈의 신소재라 불린다.
하지만 구조 및 화학조성을 분석하기에 어려운 얇은 구조라 제조 과정에서 생긴 불순물 존재 여부, 맥신 구조 내부에 삽입된 알칼리 이온의 존재 가능성, 구조·조성 간 상관관계, 불순물 유무 등을 알 수 없었고 안전성에 중요한 정제 처리 방법에 관한 연구도 미흡했다.
연구팀은 초고해상도와 화학분해능 원자 탐침 단층 현미경을 활용해 이미징을 포함 정확한 불순물 함량 조성분석을 가능하게 했다. 에이피티(APT) 기술과 2차원 물질 분석 기술을 개발해 2차원 ‘맥신’ 물질의 조성과 구조를 측정·해석한 결과, 맥신 물질은 기존에 알려져 있던 화학구조와 달리 순도가 낮다는 사실을 밝혀냈다.
2차원 ‘맥신’은 MAX라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어진다. MAX에서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소로 이뤄져 있으며 여기서 MAX 결정성 구조에서 A만 선택적으로 불산을 통해 녹아 박리하면 맥신(MXenes) 평면구조를 가진 물질이 된다. 맥신의 발견은 즉 MAX구조에서 A를 선택적으로 제거하여 만들 수 있다.
연구팀은 ‘맥신’ 중 가장 많이 사용되는 Ti₃C₂ ‘맥신’을 잘 알려진 생산방법으로 LiF와 HCl로 선택적 에칭을 통해 3차원 Ti₃AlC₂에서 Ti₃C₂ 평면구조 나노시트 만들었고, 섬세한 정제과정을 거쳐 합성된 2차원 물질 ‘맥신’을 원자단위 분석했다. 기존의 학문에서 발표한 O, OH 화합물뿐만이 아니라 원치 않는 다량의 알칼리 (Li, Na) 및 할로겐 (Cl, F) 원소와 함께 에칭되지 않은 Al 원소들도 검출됐다.
김세호 교수는 “이번 연구에서는 가장 많이 쓰이는 Ti3C2 맥신 물질의 불순물에 주목했지만, 맥신의 종류와 합성 과정 중 원치 않게 첨가되는 불순물의 종류는 휠씬 많다”며 “새롭게 개발된 분석 방법을 적용해 불순물 함량을 정제할 수 있는 공정과 불순물 역할을 규명하는 새로운 지식을 도출하려 한다”고 말했다.
고려대, 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 8월 22일 온라인 게재됐다.
류용환 기자 fkxpfm@viva100.com
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