맥신(Mxene)

맥신(Mxene)이란 무엇인가?

맥신(Mxene)이란 무엇인가?

 

맥신(Mxene)은 2011년에 처음 발견된 2차원 평면구조를 가지는 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합되어 있는 원자 두께의 층으로 구성된 신물질을 뜻하는 단어입니다. 맥신은 전이금속에 의한 금속성질(전도성)을 가지면서도 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성을 띄는 특이한 물질로 주목받고 있습니다.

 

2차원 평면구조를 가지는 맥신(Mxene)

 

맥신은 MAX라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어집니다. MAX라는 결정성 물질은 M_n+1AX_n의 실험식을 가지는 육방정계의 층상 구조형 탄화물 또는 질화물을 의미합니다. 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소이며 n은 1에서 4 사이의 정수입니다.

 

참고

MAX Phase (결정상)

전이금속과 13 또는 14족 원소와 탄소 또는 질소로 구성된 화학식 M_n+1AX_n의 물질을 화학식의 형태를 따서 MAX라고 부릅니다. 이 MAX 결정은 층상구조를 가지는데 세라믹 물질임에도 불구하고 연성이 있어 기계적인 가공이 가능하고 열과 전기 전도성이 우수합니다. 가공을 위해 형태를 변형하면 층상구조가 서로 미끌리며 박리가 일어나는 독특한 특성을 보여줍니다. 이러한 특성은 일반적으로 금속 물질에서 관찰할 수 있습니다.

 

대부분의 세라믹 소재들과는 달리 맥신은 우수한 전도성과 우수한 에너지 저장 특성을 보여 전자재료, 에너지 저장 및 의약품 분야에서도 많은 관심을 가지는 물질입니다. 이는 전이금속과 질소 또는 탄소로 구성된 화학적 조성과, 2차원 분자의 시트 형태를 가지는 구조적 특징 때문입니다. 

 

주기율표에서 확인할 수 있는 MAX 결정상의 원소 조합들

 

맥신이 독특한 구조를 가지고 우수한 성질을 가지기도 했지만 또 한가지 특이한 것은, 다양한 M(전이금속)과 A(13족 또는 14족 원소), X(탄소 또는 질소)의 다양한 조합을 통해 수백가지 종류의 서로 다른 맥신이 존재할 수 있다는 점입니다. 실제 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수많은 종류의 맥신이 존재할 수 있음이 확인되었습니다.

 

맥신(Mxene)의 발견

 

2차원 구조를 가지는 그래핀이나 이황화 몰리브덴과 같은 물질들은 기존의 3차원 소재에서 볼 수 없는 독특하고 우수한 특성을 가지고 있습니다. 이러한 2차원 물질의 발견에 힘입어 많은 연구자들이 다양한 종류의 2차원 물질을 만들고 그 특성을 밝히기 위해 노력해왔습니다. 그렇지만 2차원 구조를 가진 소재의 원료는 비싸거나 만드는 방법이 복잡하여 새로운 응용분야에 적용하기가 쉽지 않았습니다.

 

사실 맥신(Mxene)의 전구체인 MAX는 새로운 물질이 아닙니다. MAX는 과거부터 오랜기간 연구되어 왔으며 다양한 특성을 가진 3차원 구조의 탄화물, 질화물 및 탄질화물이 합성되었습니다. 

 

MAX phase에서 Mxene이 만들어지는 과정

 

MAX 중 티타늄-알루미늄-탄화물(Ti₃AlC₂)에 대해 연구하던 드렉셀 대학의 연구진들은 이 분말을 불산(HF, 불화수소산)에 넣었더니 알루미늄 원자만 선택적으로 불산에 녹아 박리되는 것을 발견하였습니다. 즉, 불산을 통한 선택적 에칭을 통해 3차원의 MAX 구조를 가지는 티타늄-알루미늄-탄화물이 그래핀과 유사한 2차원의 평면구조를 가지는 티타늄 탄화물 나노시트를 만들 수 있었습니다. 이것이 맥신의 첫 발견입니다

 

맥신(Mxene)에 대해 보고한 첫 논문 (Two‐Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti3AlC2)

 

이러한 일련의 과정은 2011년 유명한 과학 저널인 Advanced Materials에 개제되어 2차원 나노결정인 맥신의 발견을 인정받을 수 있었습니다.

 

맥신(MXene)의 제조법

 

맥신(Mxene)의 기본적인 제조방법

 

앞서 맥신의 발견에서 말씀드린바와 같이 맥신은 층상구조를 가지는 MAX 결정에서 알루미늄, 즉 A를 선택적으로 제거하여 만들 수 있습니다. 이런 선택적인 에칭 공정을 통해 원자 몇개 수준의 두께를 가진 맥신으로 분리가 됩니다.

 

가장 먼저 맥신을 발견했던 드렉셀 대학의 2011년 초기 불산을 이용하던 공정 기술을 개선하였습니다. 구체적으로는, 염산과 불산을 이용해 벌크 상태의 MAX 결정에 존재하는 알루미늄 층을 선택적으로 제거하고 티타늄 탄화물만 따로 회수하여 맥신을 제작했습니다. 이 방식으로 만들어진 독립형 티타늄 탄화물 맥신은 3개의 티타늄 층에 탄소가 결합되어 총 5개 원자 두께로 구성되어 있습니다.

 

존재 가능한 맥신(Mxene)의 종류 (파란색)

 

전이금속과 13, 14족 원소, 탄소 또는 질소의 조합을 통해 백만가지 이상의 맥신시 존재할 수 있다고 알려졌지만 실제로 화학적으로 안정한 상태로 존재하는 맥신의 종류는 그렇게 많지 않습니다. 현재 연구자들은 수백만개의 맥신 후보 물질 중 조합 중 형성에너지가 낮은 원소들의 조합을 찾아 안정성이 높은 맥신의 구성원소를 찾는 일을 하고 있습니다.

 

맥신(MXene)의 특성 및 응용

 

맥신의 발견 이후 맥신의 특성에 대한 집중적인 연구를 통해 맥신이 전자파를 차단하며 물을 정화하고 심지어 박테리아의 통과를 막을 수 있는 탁월한 능력을 있음을 발견했습니다. 또한 최근 연구결과 맥신은 화학적 안정성 뿐 아니라 물리적인 내구성이 뛰어나며 가장 튼튼한 재료임이 밝혀졌습니다.

 

가장 널리 알려진 맥신의 응용 분야는 리튬 이온 배터리의 전극이나 슈도커패시터 등과 같은 에너지 저장 소재로 활용하는 것입니다. 또한 그래핀, 클레이와 같이 소재의 강화를 위한 복합재로 첨가하는 것이며 촉매 또는 필터 재료로도 응용 가능성이 있는 물질로 주목받고 있습니다. 아래에는 각 분야에 대한 구체적인 적용사례입니다.

 

수처리 분야(담수화 및 폐수 처리)

 

맥신은 담수화 및 폐수처리와 같은 수처리 분야에서 적용 가능성이 높은 물질입니다. 맥신 중 하나인 Ti3C2는 높은 효율로 태양광을 물을 증발시킬 수 있는 능력이 있습니다.

 

연구자들은 Ti₃C₂와 폴리스티렌 단열재를 이용하여 유연한 멤브레인을 만들고 이를 물 위에 띄워서 활용할 수 있는 수처리 시스템에 적용해 테스트를 진행했습니다. 그 결과 자연 상태의 태양광을 이용해서 약 84%의 효율로 물을 증발시킬 수 있음을 확인했습니다.

 

배터리 및 에너지 저장 분야

 

컴퓨터 시뮬레이션에 따르면, 특정 맥신의 층을 완전히 분리시키면 배터리의 양극소재로 사용하기에 매우 우수한 충전용량을 가지게 된다고 합니다.

 

맥신(Mxene)을 이용한 배터리 모식도 

 

최근 한 연구팀에서 유기 분자를 이용해 각 층을 완전히 분리시킨 맥신을 필터에 여과시켜 마치 종이와 같은 얇은 전도성 맥신의 필름을 만들었습니다. 이 필름을 배터리 전극으로 활용한 결과 기존 맥신 재료의 리튬 이온 용량 대비 4배나 우수한 리튬 이온 용량과 빠른 충방전속도, 우수한 사이클 특성을 얻을 수 있었습니다.

 

마찰전기 발전기

 

과학자들은 맥신이 마찰로 낭비되는 기계적 에너지를 회수할 수 있는 마찰전기 발전기용 소재로 활용될 수 있음을 알아내었습니다. 맥신은 전기전도성이 우수할 뿐 아니라 다른 소재와 접촉할 때 전자를 흡수할 수 있는 능력을 가졌기 때문입니다.

 

맥신(Mxene)을 이용한 마찰전기 발전기(Triboelectric nanogenerator)

 

이를 이용해 걷거나 타이핑을 할 때와 같은 일상 생활에서 근육의 운동을 전기에너지로 바꾸는 마찰전기 발전기로 유용히 활용할 수 있었으며 웨어러블 장치 또는 기타 저전력 휴대장치의 자체 전원 공급용으로 사용할 수 있습니다.

 

전도성 코팅

 

맥신의 우수한 기계적 성능을 이용해 굽히거나 심한 변형이 있는 상황에서도 전기 전도성을 유지할 수 있는 전도성 코팅 재료의 개발에 적용되고 있습니다. 맥신은 층상구조를 가지는 물질이기 때문에 물리적 변형이 크더라도 맥신 입자들 사이의 접점을 유지해 우수한 전기 전도성을 계속 유지할 수 있을 것이라는 추측에 기반하여 연구가 진행되었습니다. 실제로 이 연구를 통해 유연성이 있는 폴리머를 비롯해 실리콘 엘라스토머, 나일론 섬유같은 고분자 재료는 물론 유리나 실리콘과 같은 세라믹 재료에 대해서도 높은 전기 전도성을 가지는 코팅이 가능했습니다.

 

센서

 

맥신은 지금까지 알려진 물질 중 기체에 대해 가장 민감한 전기화학적 반응을 보이는 물질입니다. 맥신을 이용하면 기존의 소재로 감지할 수 없었던 아주 낮은 농도의 기체들을 감지할 수 있기 때문에 매우 큰 관심을 받고 있습니다. 최근 연구 결과에 따르면 맥신은 현재 궤양 또는 당뇨병과 같은 질병의 진단에 사용되는 기존의 화학 센서 대비 훨씬 적은 농도의 가스(암모니아 또는 아세톤)를 감지할 수 있음이 밝혀졌습니다.

 

맥신(Mxene)을 이용한 가스 센서

 

이러한 우수한 가스 감지 특성은 맥신의 구조적 특성에 기인합니다. 맥신은 다공성 구조로 만들 수 있고 2차원 구조를 가지기 때문에 비표면적이 넓고 기체 분자가 맥신 표면을 따라 움직이기 용이합니다. 또한 표면 특성에 따라 특정 가스에 대한 우수한 흡착성과 선택성을 보여줍니다.