류호진(왼쪽부터) KAIST 원자력및양자공학과 교수, 성현우, 이민석 한국원자력연구원 박사.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 그동안 이론으로만 존재하던 비대칭 2차원 구조를 처음으로 만들어냈다. 이를 활용하면 방사성 오염물질 제거와 전자파 차폐 등 다양한 기능성 소재 개발이 가능해질 전망이다.

KAIST는 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 차세대 기능성 나노소재인 비대칭 맥신(양면의 원자 구성이 서로 다른 2차원 나노소재) 제작에 필요한 비대칭 층상 세라믹(원자층이 층층이 쌓인 비대칭 구조의 세라믹)을 실험적으로 합성했다고 11일 밝혔다.

맥신(MXene)은 전기가 잘 통하고 표면 반응성이 뛰어난 2차원 나노소재로, 에너지 저장장치와 센서 등 다양한 첨단기술 분야에서 주목받고 있다. 하지만 지금까지 개발된 맥신은 양면의 원자 구성이 같은 대칭 구조여서 구현할 수 있는 기능에 한계가 있었다.

반면 비대칭 맥신은 양면의 원자 조성이 서로 달라 각기 다른 기능을 수행할 수 있다. 이러한 비대칭성은 기존 대칭 구조 소재에서는 구현하기 어려운 새로운 기능이 발현을 가능하게 한다. 특히 방사성 핵종 제거용 흡착 필터와 전자파 흡수·차폐 소재 등 차세대 기능성 소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.

하지만 비대칭 맥신은 주로 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서만 존재 가능성이 제시됐을 뿐, 실제 제작에 필요한 원료 물질을 확보하지 못해 구현이 어려웠다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 고엔트로피(여러 원소를 섞어 새로운 특성을 구현하는 재료 설계 방식) 재료 설계 전략을 적용했다. 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등 6개 원소를 동시에 혼합한 결과, 원자 크기 차이에 의해 바깥쪽 금속 원자층의 조성이 서로 다르게 배열되는 안정적인 비대칭 구조가 자연스럽게 형성된다는 사실을 발견했다. 이는 기존 맥신 원료 소재에서는 보고된 적 없는 새로운 구조 형성 메커니즘으로 평가된다.

연구팀이 합성한 비대칭 층상 세라믹은 화학적 식각(원하는 원자층만 선택적으로 제거하는 공정)을 거치면 양면의 원자 조성이 서로 다른 비대칭 맥신으로 전환될 수 있는 전구체(최종 소재를 만들기 위한 원료 물질) 역할을 한다.

이번 성과는 그동안 이론에 머물러 있던 비대칭 맥신을 실제로 구현할 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미가 크다. 특히 기존 대칭 구조 소재로는 구현하기 어려웠던 방사성 핵종 포집, 전자파 차폐, 센서, 압전소자(압력이나 진동을 전기에너지로 바꾸는 소자) 등 다양한 첨단 기술 분야로의 확장 가능성을 제시했다.

류호진 교수는 “이번 연구는 기존 결정학으로는 구현하기 어려웠던 비대칭 원자 구조를 고엔트로피 재료 설계를 통해 구현한 사례”라며 “향후 이 원리를 다양한 층상 소재로 확장해 예상치 못한 신구조를 탐색하는 플랫폼 연구로 발전시킬 계획“이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 4월 30일 게재됐다.