방사성 오염물질을 제거하거나 전자파를 차단하는 차세대 기능성 소재 개발의 길이 열렸다. 국내 연구진이 양면의 원자 구성이 다른 비대칭 나노소재의 핵심 원료를 구현하는 데 성공하면서 환경·안전 분야 활용 가능성을 높였다.

KAIST(총장 이광형)는 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 차세대 기능성 소재인 비대칭 맥신(MXene) 제작에 필요한 비대칭 층상 세라믹을 실험적으로 합성하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

맥신은 전기전도성과 표면 반응성이 뛰어난 2차원 나노소재로 에너지 저장장치와 센서, 전자소자 분야에서 주목받고 있다. 하지만 기존 맥신은 양면의 원자 배열이 같은 대칭 구조여서 구현할 수 있는 기능이 제한적이었다.

연구팀은 양면의 원자 조성이 서로 다른 비대칭 구조를 구현해 이 한계를 극복했다. 비대칭 맥신은 각 면이 서로 다른 역할을 수행할 수 있어 특정 방사성 핵종을 선택적으로 흡착하는 필터나 전자파 흡수·차폐 소재 등으로 활용될 가능성이 높다.

이번 연구의 핵심은 비대칭 맥신의 원료가 되는 비대칭 층상 세라믹을 처음 구현했다는 점이다. 연구팀은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 알루미늄, 주석 등 6개 원소를 결합하는 고엔트로피 재료 설계 방식을 적용해 새로운 구조를 만들어냈다. 이 물질은 화학적 식각 공정을 거치면 비대칭 맥신으로 전환될 수 있는 전구체 역할을 한다.

그동안 비대칭 맥신은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서만 가능성이 제시됐을 뿐 실제 제작은 어려웠다. 이번 성과는 이론에 머물던 소재를 현실화할 수 있는 기반을 마련했다는 데 의미가 있다.

연구팀은 현재 한국·미국·일본에 관련 특허를 출원했으며, 후속 연구를 통해 방사성 이온 제거 성능과 전자파 차폐 성능을 검증할 계획이다.

류호진 교수는 “기존 결정 구조로는 구현하기 어려웠던 비대칭 원자 구조를 고엔트로피 재료 설계로 구현했다”며 “방사성 핵종 포집과 전자파 차폐 등 환경·안전 분야 핵심 원천기술로 발전할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’에 게재됐다.