2차원 신물질(MXene, 맥신)을 이용한

광대역 극초단 레이저 발생 기술 
초정밀 물질가공, 초고속 광통신 등 첨단 응용분야에 활용 기대 
 

최근 2차원 물질에 대한 연구는 그래핀을 넘어 다양한 형태의 2차원 물질들로 확산되는 경향을 보이고 있다. 지난해 KIST 구종민 박사팀이 美 드렉셀(Drexel) 대학교와의 공동연구를 통해 전자파차폐용으로 개발했던 ‘MXene’(Science, VOL.353, 2016)이라 불리는 2차원 나노물질은 최근 제조된 2차원 물질 중 가장 뛰어난 전자적 특성과 친수성 표면 화학기능기, 고분자 물질과의 혼합 용이성에 기인하여 슈퍼커패시터의 전극 물질, 전자파 차단 소재, 다공성 박막 소재 등 다양한 응용 연구들이 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 맥신 소재를 이용하여 극초단 레이저 펄스를 발생시켜 첨단 응용분야에 사용될 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 센서시스템연구센터 전영민 박사팀은 美 드렉셀(Drexel) 대학교 및 서울시립대 연구진과 공동연구를 통해 새로운 2차원 나노물질인 맥신(MXene)을 이용하여 넓은 대역과 펨토초(femto second, 10-15)대의 극초단 레이저 펄스를 발생시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

<그림 1> (위) 맥신 2차원 물질 기반의 펨토초대 펄스 레이저 시스템 (아래, 좌) 펨토초대 펄스폭을 가지는 레이저의 자기상관법에 의한 펄스폭 측정 (아래, 우) 출력된 펄스 레이저빔의 전기 스펙트럼

1000조 분의 1초의 짧은 펄스 폭을 지니는 펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 짧고 순간적으로 강한 에너지를 전달할 수 있어 초정밀 물질가공, 초정밀 안과수술, 테라헤르츠빔 발생, 초고속 광통신 등 다양한 첨단 응용 분야에 활용될 수 있다. 맥신 2차원 물질은 티타늄과 같은 중금속 원자와 탄소 원자의 이중 원소로 이뤄진 얇은 판 모양의 나노 물질로, 초고속 포화흡수체로 작용하여 빛을 매우 빠른 속도로 스위칭할 수 있어 펨토초대의 짧은 펄스를 만들 수 있다. 또한 기존 2차원 물질과 달리 에너지 갭이 없는 금속성 2차원 물질이기 때문에 근적외선 및 중적외선 영역을 포함하는 매우 넓은 파장 영역대의 레이저 빛을 발생시킬 수 있는데, 본 연구진은 이를 실험적으로 입증하였다. 게다가 맥신 2차원 물질은 표면에 다량의 친수기(*물과 친화성이 강한 원자단)를 가지고 있어 고분자와 혼합이 용이하여 산화에 강한 필름형태의 복합 물질을 제조하기 쉬우며, 혼합 상태에서도 우수한 펄스 레이저 발생 특성을 보였다.

<그림 2> (좌) 중적외선(1875 nm) 펄스 레이저빔이 발생하는 것을 입증하는 광학 스펙트럼 (우) 펌프 파워 변화(194에서 230 mW으로)에 따른 레이저빔의 출력특성(위 곡선에서 아래 곡선)

 

KIST 전영민 센터장은 “최근에 개발된 맥신 2차원 물질은 수퍼커패시터 전극 물질, 전자파 차단 소재, 나노다공성막 등의 응용에 대한 연구가 진행되어 왔으나 레이저 광학분야로의 적용은 전무한 실정이었다.”라고 말하며, “이번 연구를 통해 맥신의 뛰어난 광학 응용 잠재성을 확인하였으며, 후속 연구를 통하여 새로운 차세대 광학소자의 개발 연구를 이어나갈 계획이다.”라고 밝혔다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)의 지원으로 KIST 기관고유사업과 글로벌 프론티어사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 권위있는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’(IF : 19.791) 10월 25일자 표지 논문(Inside Back Cover)으로 선정되어 게재되었다.

  * (논문명) Metallic MXene Saturable Absorber for Femtosecond Mode-Locked Lasers
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 전영인 박사
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 전영민 박사

 

Posted by KIST PR

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전자파 STOP!! 전자파 차단 신소재 개발!

 

‘전자파’의 원래 이름은 전자기파(Electromagnetic waves)로 전기 및 자기의 흐름에서 발생하는 전자기 에너지입니다. 즉 전기가 흐를 때 그 주위에 전기장과 자기장이 동시에 발생하는데 이들이 주기적으로 바뀌면서 생기는 파동을 전자파라고 하는 것입니다. 전기장과 자기장은 서로 성질은 다르지만, 전기가 흐르는 곳 어디에서나 발생하기 때문에 전기를 사용하는 모든 기기에는 필연적으로 전자파가 발생하게 됩니다.

 

최근 애플에서 i-phone 7 핵심 칩에 전자파 차폐 기술을 적용하겠다고 발표한 기사를 접해보신 적 있으신가요? 그만큼 전자기기 소비자들은 전자파에 대한 우려가 높습니다. 이러한 소비자들의 우려 뿐만 아니라 전자파를 차폐하는 것은 전자제품 생산자에게도 장점이 있습니다. 전자파 차폐 기술을 적용하면 칩 간 전자파 간섭(EMI, Electromagnetic Interference)으로 인한 예상치 않은 이상 동작을 방지할 수 있습니다. 전자파 간섭이 줄어들면 회로 기판도 더욱 오밀조밀하게 구성할 수 있고 칩 사이의 거리를 좁히면 남는 면적을 배터리에 할애해서 사용시간을 더 늘릴 수도 있습니다. 결과적으론 EMI 차폐 작업을 위한 추가 비용이 들어가지만 완성품 관점에선 여러 가지 이득이 많은 셈입니다.

 

전자파 간섭을 막는 것은 그릇에 물을 넣은 뒤 마구 흔들었을 때 물이 전혀 새지 않도록 하는 것과 비슷합니다. 우선 전자파를 차폐하고자 하는 물체의 바깥쪽을 모두 전도성 소재 (알루미늄박, 철판 등)로 감쌉니다. 그 결과 물체 내에서 발생하거나 외부의 다른 기기에서 전달되는 전자파는 물체 표면의 전도성 소재와 부딪치며 반사되게 됩니다. 이때 전자파의 차폐율은 차폐하고자 하는 물체의 재질 및 두께, 전자파 에너지의 강도에 따라 변하게 됩니다. 보통 전기전도도가 높은 소재일수록 높은 전자파 차폐 성능을 보입니다.

[그림1] 출처: http://eoasis.tistory.com/46

앞서 언급했듯이 기존의 전자파차폐 방식은 금속성 재료들을 사용해서 진행되었지만, 최근에는 금속성 재료의 사용에 문제점을 제기하기도 합니다. 이를테면 핸드폰 등의 전자기기를 살펴보면 수많은 소자로 구성되어 있는데 각각의 소자에 전류가 흐르게 되면 자기 성분 또는 전자파 성분들이 발생하고 이러한 소자들이 서로 영향을 미치게 되는 식입니다. 이러한 간섭을 막기 위해서 사용하는 일반적인 방식은 전자기기를 촘촘하게 만들어두고 문제가 되는 부분을 테이프 붙이듯이 둘러싸는 방식입니다. 하지만 전자제품들의 소형화 경량화가 지속되면서 전체를 조립해놓고 전자파를 차단하는 것이 아니라 소자 단위에서 이를 처리할 필요성이 대두되고 있습니다. 또한, 전기자동차의 경우는 고전압, 고전류가 흐르기 때문에 전자파 발생 양 또한 많은데 이를 원하는 형태 안에서 전자파차폐를 해야하는 경우가 필요하기도 합니다.

 

이러한 선제적인 전자파 차폐나 크기가 매우 작아 기존의 방식으로 처리하기 힘든 소자의 경우, 쉽게 작은 단위에서도 코팅할 수 있는 소재가 필요하게 되는 것이지요. 이러한 문제의식에서 출발한 것이 바로 MXene연구입니다.

 

MXene은 MAX라고 불리는 층상구조로부터 출발합니다. MAX는 M층, A층, X층으로 이루어진 구조를 갖는데 M은 앞전이금속(early transition metal,  [그림2]의 빨간색으로 표시된 원소), A는 A족 원소 ([그림2]의 파란색으로 표시된 원소), X는 탄소 혹은 질소로 이루어진 물질로서 Mn+1AXn(n=1,2, or 3)의 구성을 갖습니다. MAX구조는 세라믹 연구 분야에서 약 10~15년 전부터 많은 연구가 진행되고 있습니다. 일반적으로 대부분의 세라믹 물질은 깨지기 쉽습니다. 반면 MAX는 연성성질을 가지므로 이러한 측면에서 많은 연구가 진행되었습니다. MAX는 원소의 수에 따라 가능한 조합이 매우 많으며 요즘에는 transition metal을 한 종류가 아닌 두 종류를 사용하는 bi-transition metal 구조에 대한 연구도 진행되고 있어서, 이론적으로 가능한 조합이 수천, 수백 개가 존재합니다. 현재까지 연구된 것은 약 10종류에 불과하므로 발전 가능성이 무궁무진한 연구 분야라고 할 수 있습니다.

[그림2]Barsoum, M.W. Progress in Solid State Chemistry 28 (2000) 201 – 281

여기서 A 층을 etching 시키게 되면 간단하게 MAX에서 A 층이 제거된 MXene이라는 구조를 얻을 수 있게 됩니다.


[그림3]출처 : ACS Nano, 2012, 6 (2), pp 1322–1331

[그림4]출처: Michael Naguib, et al. Advanced Materials 23 (2011) 4248-4253

 

접미어 ‘ene’이 붙은 이유는 그래핀(graphene)이라는 물질과의 구조적 유사성 때문입니다. 그래핀은 탄소로 이루어져 있는 단층 형태의 물질로서 연필심의 구성물질인 흑연(graphite)에서 한 층만 떼어내면 그래핀이 되는 것입니다. 형상을 두고 보더라도 그래핀과 가깝고 성질 역시 이와 비슷합니다.

[그림5]출처 : http://phelafel.technion.ac.il/~tzipora/graphene.html

앞서 언급했듯이 전자파 차폐 효율은 전기전도도가 높을수록 높은 값을 갖게 되는데요, MXene의 일종인 Ti3C2Tx의 전기전도도는 약 5000 S/cm입니다. 사이즈 조절을 하게되면 약 6000-7000 S/cm까지도 향상됩니다. 수치는, 결함(defect) 없는 그래핀의 단위 시트당 전기전도도가 4000-5000 S/cm이므로 상당히 높은 수치입니다. 그래핀 시트가 적층되어 있는 구조인 흑연은 일반적으로 전기전도도가 약 1000 S/cm 정도인데 이러한 차이는 전자가 단위 sheet 안에서 움직이는 것보다 층간의 계면을 뛰어넘을 때 더 많은 저항이 발생하기 때문입니다. 또한 그래핀은 결함이 없을 때에만 위와 같은 수치를 가지는데 MAX는 층간의 계면을 다 포함한 상태에서도 6000-7000 S/cm 정도의 전도도를 보이므로 차폐 기능이 아주 우수한 소재임을 알 수 있으며 [그림6]에서 보이듯이 그 특성이 금속(metal)에 가깝게 나타납니다. 또한, 차폐특성은 소재의 두께와 비례하는데 MXene은 10μm의 두께에서 70dB 정도 특성을 보입니다. 이러한 특성은 [그림6]에서 확인할 수 있듯이 거의 순수 금속필름에 가깝습니다.

[그림6]출처 : Faisal Shahzad, et al. Science, 2016, 353, 1137-1140.

유연하고 공정도 편리하며 소자에 적용하기에도 적합한 전자파차폐소재라고 볼 수 있겠죠? 어떠신가요. 앞으로도 이 MXene이라는 재료의 활약이 기대되지 않나요?


※ 본 기사는 물질구조제어센터 구종민 박사님 팀의 최신 논문 (Science, 2016, 353, 1137-1140.)과 박사님의 인터뷰를 토대로 작성되었습니다. 바쁘신 일정 속에서도 흔쾌히 인터뷰에 응해주신 구종민 박사님께 감사의 말씀을 전해드립니다.

 

Posted by KIST PR

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