▲ (왼쪽부터) 김세호 교수(교신저자), Baptiste Gault 교수(공동교신저자)
 
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 신소재공학부 김세호 교수 연구팀과 막스플랑크 연구소 Baptiste Gault 연구팀이 최초로 2차원 물질 ‘맥신’을 원자단위에서 관찰하는 기술 개발에 성공함과 동시에 현재 산업계와 국내외에서 가장 큰 관심을 끌고 있는 신물질 2차원 ‘맥신’ 구조 내·외부에도 상당한 불순물 함량이 있다는 사실을 밝혀냈다.
 
최첨단 원자 탐침 단층 현미경(atom probe tomography)은 아주 얇은 바늘 모양으로 가공된 시편 표면의 원자들을 고전압 펄스를 가해 차례대로 전계이온 증발시켜 검출기에 충돌시킨 후, 원자의 충돌 위치와 순서, 충돌 원자의 질량 대 전하 비를 이용해 시편의 3차원 원자 분포를 이미징하는 분석 기술이다. 이는 3차원 원자단위 분석 및 화학적 정량 분석이 가능하며, 100억 분의 1미터 단위의 공간 분해능과 모든 원소에 대해 동일한 화학분해능을 가지고 있어 나노물질을 분석하는 데 매우 적합하다.
 
맥신(MXene)은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노물질로, 높은 전기전도성을 갖추고 여러 화합물로 조합할 수 있어 배터리, 반도체, 촉매, 의료, 전자기기, 센서 등 다양한 분야에서 활용할 수 있어 ‘꿈의 신소재’라 불린다. 하지만, 구조 및 화학조성을 분석하기에 어려운 얇은 구조라 제조 과정에서 생긴 불순물 존재 여부, 그리고 ‘맥신’ 구조 내부에 삽입된 알칼리 이온의 존재 가능성을 알 방법이 없어, 우수한 특성과 구조, 조성간의 상관관계를 명확하게 규명할 수 없었고 더 나아가 불순물 유무를 알 수 없다 보니 사용 안전성에 중요한 정제 처리 방법에 관한 연구도 미흡했다.
 
학계에서는 많은 연구와 노력으로 ‘맥신’의 생산 및 구조의 안정화 문제점들을 해결했지만, 불순물 존재와 표면의 불순물 역할 및 정확한 함량을 알아내는 데는 분석 기술적 한계를 겪고 있다. 가장 큰 이유는 기존의 분석기법 중 전자현미경과 X-ray기반 현미경 등은 낮은 화학적 분해능으로 인하여 얇은 ‘맥신’ 소재의 정확한 조성을 알 수 없는 한계가 있었다. 대량으로 합성한 ‘맥신’ 소재에서도 불순물 원자들이 어떻게 분포되어 있는지 등을 알 수 없어, 그동안 학계-산업계에서도 큰 관심을 가지지 않았다.
 
연구팀은 초고해상도와 화학분해능 원자 탐침 단층 현미경을 활용하여 이미징을 포함 정확한 불순물 함량 조성분석을 가능하게 했다. APT기술과 2차원 물질 분석 기술을 개발하여, 2차원 ‘맥신’물질의 조성과 구조를 측정하고 해석한 결과, 맥신 물질은 기존에 알려져 있던 화학 구조와 달리 순도가 낮다는 사실을 밝혀냈다.
 
2차원 ‘맥신’은 MAX라고 불리는 결정성 물질로부터 만들어진다. MAX에서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소로 이루어져 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.
 
 
▲ (그림1) '맥신' 물질 산화 반응 후 전자현미경 및 원자탐침단층현미경 결과. 맥신 재료 내부에 산소 원자 뿐만이 아닌, 불소, 염소, 리튬, 알루미늄 원소 검출.


▲ (그림2) '맥신' 물질 산화 전/후 불순물 분포도 결과: 산화된 맥신 내부에서도 리튬, 탄소, 나트륨, 염소 원소 검출.


▲ (그림3) '맥신' 물질 합성 및 산화 과정: 산소에 민감한 Ti3C2 맥신 물질이 TiO2로 변화 과정 관측.
 
연구팀은 ‘맥신’ 중 가장 많이 사용되는 Ti3C2 ‘맥신’을 잘 알려진 생산방법으로 LiF와 HCI로 선택적 에칭을 통해 3차원 Ti3AIC2에서 Ti3C2 평면구조 나노시트를 만들었고, 섬세한 정제과정을 거쳐 합성된 2차원 물질 ‘맥신’을 원자단위 분석하였다. 기존의 학문에서 발표한 O, OH 화합물뿐만이 아니라 원치 않는 다량의 알칼리 (LI, Na) 및 할로겐(CI, F)원소와 함께 에칭되지 않은 AI 원소들도 검출됐다.
 
지금까지의 분석 기술 한계로 ‘맥신’구조 내·외부에서 불순물 존재 여부를 연구한 사례는 없었다. 허나, 앞으로는 ‘맥신’ 신소재 내에 극소량의 불순물과 잠재적 불순물에 관한 안정성과 평가 연구가 필요할 것으로 예상된다. 예를 들어 ‘맥신’의 응용 분야에는 리튬 이온 배터리의 전극 같은 에너지 저장 소재도 있는데, 합성한 ‘맥신’에서 불순물로 리튬원소가 존재한다는 사실은 ‘맥신’의 우수한 저장 특성보다는 합성 중에 존재하는 리튬 불순물이라는 가능성이 있기 때문이다.
 
이번 연구에서는 원자단위 분석 기술인 원자 탐침 단층 현미경을 활용하여, 최초로 2차원 물질 ‘맥신’을 정밀한 화학구조 분석을 진행했다. 불순물 원소들을 3차원으로 이미지 처리함으로써 ‘맥신’의 특성을 더 깊게 이해할 수 있는 방향을 제시했다.
 
김 교수는 “이번 연구에서는 가장 많이 쓰이는 Ti3C2 맥신 물질의 불순물에 주목했지만, 맥신의 종류와 합성 과정 중 원치 않게 첨가되는 불순물의 종류는 훨씬 많다.”며 “새롭게 개발된 분석 방법을 적용해 불순물 함량을 정제할 수 있는 공정과 불순물 역할을 규명하는 새로운 지식을 도출하려 한다”고 전했다.
 
한편, 이번 연구성과는 고려대학교와 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 재료과학 권위 학술지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF=29.4(2022))에 현지 시각 8월 22일 자 온라인 게재됐다. /공과대학신문