전자장치가 소형화·고집적화·고기능화되면서 장치 간 전자파 간섭에 의한 오작동이 심각한 문제로 등장했다.
전자파 차폐 효율은 전기전도성이 높을수록 좋아지기 때문에 전기전도성이 우수한 은(Ag)·구리(Cu) 입자 등을 전자파 차폐 복합 소재 원료로 사용하지만 이러한 금속 소재는 가공이 어렵고 가격이 비싸다는 단점이 있었다. 이에 지난 2016년 KIST 구종민 박사 연구팀은 대안으로 금속과 같은 수준의 높은 전기전도도(106S/m)를 가지며, 기존 금속 전자파 차폐 소재보다 가벼우면서도 가공이 쉬운 2차원 나노 재료 ‘맥신(MXene)’을 개발한 바 있다.
이후 맥신 유연 히터, 유기 잉크, 초박막 필름 제조기술을 개발하며 후속 연구에 주력해 온 구종민 박사는 지난 7월 24일, 맥신의 전자파 흡수 성능을 극대화한 새로운 초경량 전자파 차폐 소재 ‘Ti₃CN 맥신’을 ‘사이언스'(Science)’지에 발표하며 상용화에 성큼 다가섰다.
신개념의 전자파 차폐 소재 ‘맥신(MXene)’
현대인의 삶과 전자기기는 불가분의 관계라고 할 수 있다. 가전은 물론 휴대폰과 노트북, 자동차에 이르기까지 각종 전자기기가 우리의 삶에 깊숙이 들어와 있고, 새롭게 개발되는 최신 IT 기기들에 점점 더 많은 반도체 칩과 전자 부품들이 사용되고 있다.이러한 상황 속에서 반드시 해결해야 할 선결과제는 바로 전자파 간섭 현상이다.
전자파 간섭은 전자, 통신, 운송, 항공, 군사 장비들에서 발생하는 전자파 간에 의한 간섭 현상으로, 장치들의 오작동 원인이 될 뿐만 아니라 인간에게 유해한 영향을 줄 수 있다.
비행기 이착륙시 전자기기 사용을 금지하는 것도 같은 이유이다.
따라서 전자기기가 소형화·고집적화 될수록 차폐력이 우수한 신소재 개발의 중요성 역시 더욱 높아지고 있는 상황이다. 전통적으로 전자파 차폐에 금속 소재가 주로 이용되었다. 하지만 금속 소재는 밀도가 높고, 제조 비용이 높으며, 무거울 뿐 만 아니라 부식이 되기 쉽다. 또, 가공이 어려워 차세대 전자통신 장치들에 사용하기에는 한계가 있었다.
새로운 전자파 차폐 소재의 등장이 절실한 가운데 2016년 KIST 구종민 박사 연구팀이 기존 금속 소재의 문제점을 해결할 수 있는 고분자 복합체 소재, ‘맥신(MXene)’을 개발하는 데 성공했다.
전이금속 카바이드(Transition Metal Carbide, MXene)는 티타늄(Ti)과 같은 중금속 원자와 탄소(C) 원자의 이중 원소로 이루어진 나노물질로, 1nm(나노미터)의 두께와 1µm(마이크로미터)의 길이의 이차원적 판상구조로 되어있다. 특히 기존 나노소재보다 제조공정이 간편하고 저비용으로 생산할 수 있으며 전기 전도성도 우수하다.
이러한 맥신 2D 나노소재로 만든 고분자 복합체는 기존 복합체에 비해 매우 얇은 두께에서도 우수한 전자파 차폐 특성을 보인다. 그 이유는 맥신이 다층 적층 구조로 되어 있어 필름 내에서 반사가 여러 차례 반복되는 내부 다중반사 효과를 발생 시켜 효과적으로 전자파를 흡수하기 때문이다.
“기존 카본 재료, 금속 및 세라믹 재료를 능가하는 맥신의 세계 최고 전자파 차폐 성능을 최초 보고하고 원천특허를 확보했습니다. 우수한 전기전도도 특성 및 2D 평판 구조로부터 기인한 층상구조 특성으로 인해 맥신은 우수한 저항손실 및 에디전류손실이 유도되고, 내부 다중반사 특성이 유도되어 기존 재료에 비해 우수한 전자파 차폐 성능을 보임을 확인할 수 있었죠.
전자파 차폐뿐만 아니라 방호용 차폐, 전자파 흡수, 스텔스 기술, 전극 패턴 등 다양한 분야에 응용이 가능합니다.”
맥신 고분자 복합체 원천기술과 이를 이용한 전자파 차폐 응용 기술은 그 우수성을 인정받아 세계적 과학저널인 ‘사이언스(Science)’지와 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 논문이 게재되었고, 전자소재 업체에 관련 기술을 이전했다.
이 연구는 미국 드렉셀대학교 유리 고고치 교수팀과 공동으로 수행해 융합연구의 대표적인 성공 사례로 남았다.
맥신 히터, 유기 잉크, 초박막 필름 원천기술 확보
맥신의 뛰어난 전자적 특성과 다양한 응용 연구 및 상용화 가능성을 확인한 만큼 구종민 박사는 맥신 상용화를 위해 쉼 없이 연구에 매진했다.
그 첫 성과로 2019년 맥신을 기반으로 한 유연하고, 대면적으로 제작이 가능한 차세대 투명 웨어러블 히터를 개발했다.
차세대 히터 개발을 위해 기존 연구들에서는 금속 나노와이어, 그래핀, 산화 그래핀을 환원시키는 방식 등을 중점적으로 다루어 왔다. 그러나 금속 나노와이어는 비싼 재료값, 큰 밀도 및 기계적인 유연성 부족, 제한적인 공정이 단점으로 지적되었다.
또한, 그래핀은 대면적으로 제작하기 힘든 공정상의 문제 뿐만 아니라, 상대적으로 낮은 전기전도도 및 산화 그래핀을 환원 시키는 공정에서 유해물질이 발생하는 문제가 있다.
연구팀은 맥신이 높은 전기전도도뿐 아니라 표면에 많은 친수성 그룹(-OH)을 포함하고 있어 용액공정이 가능하다는 점에 주목했고, 맥신을 활용한 용액공정을 통해 히터를 개발, 다른 후보물질들이 가진 모든 문제를 해결했다.
“다양한 기판에 수십 나노 수준의 얇은 2차원 박막을 구현하고, 맥신의 우수한 전기적 성질을 활용해 빠른 응답속도 및 우수한 성능을 보이는 히터를 개발했습니다.
또한, 고분자 기판 위에 박막을 형성해 유연하면서도 큰 면적을 갖는 히터 소자에 적용할 수 있음을 확인할 수 있었죠. 보다 실용적인 히터 제작을 위해 다양한 섬유 위에 맥신 히터를 제작해 바느질 및 직조 가능한 새로운 방식의 입는 히터 방식(웨어러블)을 제시했습니다.”
연구팀은 여기서 한 걸음 더 나아가 2019년 12월 맥신 유기 잉크 제조기술을 개발했다. 맥신은 많은 장점에도 불구하고, 수용액 속에서 물 분자 및 산소에 의해 쉽게 산화되어 그 본래의 전기전도도를 잃어버리기 때문에 안정성이 좋지 않았다.
또한, 친수성 표면을 가지는 맥신은 그 반대의 성질, 즉 물과 화합되지 않는 ‘소수성’을 가지는 고분자 재료 및 특성 재료들과의 친화도가 좋지 않아 다양한 소재와의 응용이 어려웠다.
연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위해 화학적 표면처리를 통해 2차원 맥신 입자가 소수성을 갖도록 해 유기용매에 분산된 맥신 유기 잉크를 개발했다. 이렇게 제조된 맥신 유기 잉크는 내부에 물 분자 및 산소가 적어 쉽게 산화되지 않는다.
개발된 맥신 유기 잉크를 활용하면 산화 불안전성을 극복해 기존 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 잉크젯 프린트 등의 액상 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한, 장기간 보관할 수 있도록 안정성이 보장된 맥신은 전자파 차폐, 전극 소재 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
한편, 지난 3월에는 맥신 상용화를 향한 또 하나의 커다란 족적이 남겨졌다. 맥신의 우수한 전자파차폐 성능을 활용하기 위해 원자수준 균일한 두께를 가지는 대면적 맥신 박막 제조 기술을 개발하는 데 성공한 것이다.
그동안 맥신 소재 자체의 우수한 전자파 차단 성능은 보고되었지만, 고집적 5G 통신 및 모바일 전자기기에 직접 응용 가능한 기술은 개발되지 않은 상태였다.
이에 구종민 박사는 한국과학기술원 신소재공학과 김상욱 교수, 미국 드렉셀대학교 유리 고고치 교수팀과의 공동연구를 통해 유연 전자소자 및 5G 통신 모바일 기기에 적용할 수 있는 전자파 차폐 소재 기술로 자가조립(Self-assembly) 기술을 활용, 원자 수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 제작했다.
맥신 수분산액 표면에 휘발성이 있는 용액을 공급해 맥신을 표면에 표류시키고, 표면장력 차이에 의한 대류 현상에 의해 맥신 나노입자들이 스스로 배열해 원자수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 형성한다.
공동연구팀이 개발한 자가조립 기술은 기존 용액공정으로 구현할 수 없는 원자단위의 두께 균일도를 가지는 대면적 필름을 제조할 수 있다. 이를 통해 제작한 초박막 맥신 필름은 원하는 기판에 쉽게 전사(Tranfer)할 수 있으며 여러 번 적층해 두께 및 투과도, 표면저항을 자유롭게 제어할 수 있다. 이 필름을 55nm 두께로 적층하면 99% 이상 전자파 차단이 가능했다. 이는 현재까지 보고된 어떤 전자파 차단 소재보다 우수한 성능(두께 대비 차단 효과)이다.
이 밖에도 그동안 구종민 박사 연구팀은 전자파차폐 고분자 복합체 제조용 팽창입자 제어기술을 개발해 원천특허를 확보하고, 맥신의 열전재료, LED 디스플레이, 데이터통신 응용 원천특허를 확보하는 등 괄목할 만한 연구성과를 거두어 왔다.
지난 7월, ‘Ti₃CN 맥신’ 사이언스(Science)지에 발표
최근 세계 과학계, 산업계의 이목이 다시 한번 구종민 박사에게 집중되었다. 바로 기존 전자기파 간섭 문제를 획기적으로 개선할 수 있는 맥신 전자파 흡수 소재, ‘Ti₃CN 맥신’을 새롭게 개발한 것이다.
연구팀은 맥신에 질소를 추가해 기존보다 전자파 흡수 기능을 크게 높인 티타늄탄소질소화합물(Ti₃CN)을 개발했다. 전자파를 차단하는 금속은 전자파를 반사하는 방식으로 전자파를 차단하는데, 반사된 전자파가 2차 피해를 발생시킨다.
이번에 개발한 Ti₃CN 맥신은 전자파 흡수를 강화해 유해한 전자파를 없앤 것이 특징이다.
새롭게 만든 ‘Ti₃CN 맥신’은 머리카락과 비슷한 40㎛ 두께로도 116dB이 넘는 높은 전자파 차폐 성능(SE)을 보였다. ‘Ti₃CN 맥신’ 필름을 열처리하면 작은 구멍들이 있는 다공성 메타구조가 만들어지며, 이런 메타구조에서는 유효 유전율(Effective permittivity)과 유효 투자율(Effective permeability)이 크게 변해 아주 얇은 두께로도 매우 높은 전자파 흡수 특성을 보인다는 설명이다.
“금속을 이용한 기존 상용화 제품은 80dB 수준이 최고인데, 이와 비교하면 수만 배나 더 뛰어난 성능입니다. 거의 완벽하게 차단한다고 봐도 되죠. 맥신 소재의 상용화를 위해서는 소재-부품-장비를 연결하는 공급망 확보가 매우 중요합니다.
나노소재의 대량 생산 시스템과 효율적인 부품 제조 기술, 장비 적용기술 등 협력 연구 체계 구축을 위해 종합적인 연구지원이 이루어진다면 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 기대됩니다.”
이번 연구는 고려대학교 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수, 미국 드렉셀대학교 유리 고고치 교수팀과 공동으로 수행했으며, ‘사이언스(Science)’지 2020년 7월 24일 자에 게재되었다.
독창적 소재 연구의 산실, 물질구조제어센터
구종민 박사가 센터장으로서 이끌고 있는 물질구조제어연구센터는 나노소재, 촉매소재, 고분자소재 등의 전문 소재(재료) 연구센터로서, 특히 소재의 다차원 구조제어를 기반으로 전도성, 유전율, 자성 특성을 제어해 다양한 전자소자 적용 연구를 수행한다.
수장인 구종민 박사는 물론 연구원들 또한 기존의 한계, 고정관념을 뛰어넘는 독창적인 연구들로 우수한 연구역량을 세계적으로 인정받고 있다.
먼저 구종민 박사는 맥신 나노소재 전자파 차폐 기술로 2016년 9월 9일 ‘사이언스(Science)’지에 논문을 게재한 데 이어 2018년 9월에는 과학기술정보통신부와 한국연구재단으로부터 이달의 과학기술인상을 수상하기도 했다.
전임 센터장이었던 하헌필 본부장은 탈질 성능이 우수한 신개념의 촉매를 개발해 두산중공업에 대형 기술 이전 성과(2013년) 및 이달의 과학기술인상(2015년), 한국공학상(2019년)을 수상하는 성과를 이뤘으며, 전 센터 구성원이었던 조성무 박사는 전기방사 고분자 나노섬유 기술을 개발해 대형 기술 이전 성과(2011년)를 거둔 바 있다.
“최근에 우리 센터는 국가적인 아젠다 연구 수행에 집중하고 있습니다. 매년 미세먼지로 고통 받고 있는 대한민국의 엄중한 현실을 극복하기 위해, 미세먼지를 효율적으로 제거할 수 있는 신개념의 필터 소재 개발 연구를 진행 중입니다.
기존 수동적 방식인 단순 분리 기술에 기반한 미세먼지 제거 기술이 아닌, 보다 능동적인 제거 방식인 화학적 분해제거 방식을 접목한 반응형 필터 기술이라고 설명할 수 있죠. 향후 연구과제가 성공적으로 마무리되면 관련 성과를 기반으로 미세먼지 문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.”
물질구조연구센터의 특징은 개별 연구원들의 다양성이 발휘되면서 원활한 협력 연구가 이루어질 수 있는 시스템이 구축되어 있다는 점이다. 다양한 전공 및 다양한 국적의 구성원들로 구성되어 있어 개인의 개성과 다양성이 잘 발휘될 수 있는 분위기를 만들기 위해 노력하고 있으며, 구성원들 간의 원활한 협력 연구가 진행될 수 있도록 배려와 협력의 중요성을 항상 강조한다는 설명이다.
“연구에 몰입할 수 있도록 연구원들의 연구과제 행정업무 참여를 최소화하고, 연구 진행에 필요한 재료, 기기, 분석 비용 등을 전폭적으로 지원함으로써 새로운 아이디어가 계속 발굴되는 분위기를 만들고자 노력하고 있습니다.
또한 매년 해외 방문 학생 및 박사후 연구원들을 유치해 구성원들의 국제적 협력 연구 및 국제화 감각을 배양하는 데에도 신경을 기울이고 있습니다.”
성과에 대한 조급함을 버려라
구종민 박사가 주도하는 연구가 가시적인 성과를 거두며, 눈에 띄는 발전을 거듭할 수 있었던 데에는 ‘인내’와 ‘성실’을 중시하는 그만의 연구철학이 토대가 되었다.
“좋은 연구는 귀한 손님을 기다리는 마음으로 해야 한다고 생각합니다. 훌륭한 연구가 노력만으로 이뤄지는 것은 아니겠지만, 꾸준한 노력이 없다면 좋은 연구를 만날 기회도 오지 않죠. 항상 연구 중심의 사고를 하며 한 걸음 한 걸음 내딛다 보면, 때때로 좋은 아이디어가 떠오르기도 하고, 우연한 기회에 동료 연구자들이나 학생들로부터 새로운 아이디어 힌트를 얻기도 합니다.
앞으로도 겸손한 마음, 그리고 귀한 손님을 기다리는 마음으로 연구를 꾸준하게 수행하려고 다짐하고 있습니다.”
모든 일이 그러하듯이 연구원들이 세운 다양한 가설이 항상 입증되거나 아이디어가 실제 연구성과로 이어지는 것은 아니다.
구종민 박사 또한 마찬가지. 열 번 중 아홉 번은 난관에 봉착하거나 실패하기도 하고, 하나의 가설을 위해 오랜 시간 고심할 때도 있다. 하지만 구종민 박사는 조급한 마음을 버리고 끝까지 집중력을 발휘해 해결의 실마리를 하나씩 풀어냈을 때 단 한 번의 값진 성공을 거둘 수 있다고 조언했다.
“좋은 연구는 만나기도 쉽지 않지만, 만나게 되어도 연구 결과를 완성하는 데에 많은 시간이 필요한 일입니다. 하지만 성과에 대한 압박과 조급함으로 인해 좋은 연구 주제를 만나고도 끝내 의미 있는 성과를 내지 못하는 경우가 많습니다.
이전 연구성과의 경험을 통해 좋은 성과를 얻기 위해서는 최소 2-3년의 시간 동안 조급해하지 않고 긴 호흡으로 학생들과 동료연구자들을 독려하며 진행해야 한다는 사실을 체득했습니다.
성과에 대한 조급함이 좋은 연구를 망치는 주요 원인인 만큼 조급함을 제어하려고 노력하고 있습니다.”
이에 더해 구종민 박사는 성과에 대한 조급함을 버리려는 노력은 개별 연구자뿐만 아니라 우리나라 과학기술정책 입안자들에게도 필요한 덕목이라고 강조했다. 특히 우리나라가 융복합소재의 소재 강국이 되기 위해서는, 다양한 기초소재 원천기술 확보가 필요한데, 이를 위해서는 장기적 로드맵을 가지고 연구정책을 수립, 세워진 연구정책대로 꾸준히 진행되어야 가능하다는 설명이다.
“국가의 과학기술 백년대계를 생각해 정책이 만들어지고 그 정책이 계획대로 꾸준히 시행되어야 하는데 시시때때로 과학기술정책이 바뀌게 되면, 장기적 관점의 연구가 필요한 원천소재 기술 개발 연구는 제대로 이루어지기 어렵습니다. 좋은 원천소재 연구를 위해 정책적 관점에서 조급함을 내려놓으려는 노력이 필요하다고 말씀드리고 싶습니다.”
구종민 박사는 앞으로 ‘나노소재를 이용한 전자파 차폐 기술 개발 연구’에 집중할 계획이다.
전자파 차폐 메커니즘에 대한 연구를 비롯해 현재까지 확보된 맥신 전자파 차폐 기술 및 맥신 유기 잉크 기술을 상업화해 실생활에 활용될 수 있도록 후속 연구에 나서는 한편 나노소재를 이용한 전자파 차폐 기술에 대한 저서도 출판할 계획을 가지고 있다.
연구를 즐길 줄 아는 순수한 과학자이자 국익을 생각하는 한 명의 국민으로서 그는 오늘도 열정적으로 더 높은 곳을 향해 정진하고 있다. 일일신 우일신(日日新 又日新), 언제나 새로운 과학기술을 향해 도전을 멈추지 않는 구종민 박사의 모습이다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2020년 8월호에 게재 되었습니다.> |
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