KIST 물질구조제어연구센터 구종민 박사 연구성과
고집적 모바일 전자기기와 통신 기술이 급격히 발전함에 따라, 기기 간의 강한 전자기 유도 현상으로 발생하는 전자파 간섭(EMI)이 심각한 문제로 떠오르고 있습니다. 이러한 현상은 기기 오작동이나 정보 손실을 초래하기에 이를 막아줄 고성능 차폐 소재의 필요성이 날로 커지고 있습니다. 기존에는 높은 전기 전도도를 가진 금속이나 탄소 소재가 주로 사용되었으나, 현대 기기들이 요구하는 경량화와 박막화, 그리고 가공의 용이성을 모두 충족하기에는 분명한 한계가 존재했습니다. 따라서 낮은 두께에서도 우수한 차폐 성능을 발휘하는 새로운 차별화된 소재 개발이 필수적인 상황입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 KIST 연구팀은 2016년 세계적인 학술지 사이언스를 통해 Ti3C2 맥신(MXene) 소재의 가능성을 처음으로 세상에 알린 바 있습니다. 이 소재는 45 마이크로미터의 얇은 두께에서도 92 데시벨(dB)이라는 놀라운 전자파 차폐 성능을 기록하며 경량 차폐 소재로서의 가치를 입증했습니다. 이는 맥신(MXene)이 가진 5,000 S/cm의 높은 전기 전도도와 특유의 2차원 층상 구조 덕분이었습니다. 이후 연구팀은 여기서 멈추지 않고 더욱 혁신적인 성능을 구현하기 위해 티타늄과 탄소, 질소의 화합물인 Ti3CN 맥신(MXene)에 주목하여 연구를 지속해 왔습니다. 새롭게 보고된 Ti3CN 맥신(MXene)은 기존 소재와 유사한 결정 구조를 가지면서도 더욱 뛰어난 용액 분산성과 유연한 코팅 능력을 자랑합니다. 연구 결과에 따르면 40 마이크로미터 두께의 Ti3CN 맥신(MXene) 필름은 현재까지 보고된 합성 물질 중 최고 수준인 116 데시벨(dB)의 전자파 간섭(EMI) 차폐 효율을 보여주었습니다. 이는 이전 모델인 Ti3C2 맥신(MXene)보다 훨씬 우수한 성능으로, 자연계에 존재하지 않는 인공 나노 소재로서 맥신(MXene)의 잠재력을 다시 한번 증명한 사례입니다. 이러한 압도적인 수치는 단순한 반사를 넘어 전자기파를 내부에 가두고 흡수하는 독특한 거동에서 비롯된 것입니다. 이토록 뛰어난 성능의 핵심은 가벼운 열처리를 통해 형성된 다공성 메타 구조에 있습니다. 조밀한 층상 구조에서 변모한 이 다공 구조 내부에 전자기파가 입사되면, 강한 다중 반사 효과와 함께 전자기파가 흡수되는 현상이 나타납니다. 향상된 전기 전도도를 바탕으로 한 다공 구조는 큰 저항 손실, 와전류(Eddy current) 손실, 분극 손실 등을 유도하여 전자기파 에너지를 효과적으로 상쇄시킵니다. 이러한 메커니즘 덕분에 Ti3CN 맥신(MXene)은 극히 얇은 두께로도 외부 전자기 간섭으로부터 기기를 완벽하게 보호할 수 있는 독보적인 전자기 흡수 특성을 갖게 되었습니다. 향후 이 기술은 5G용 초소형 스마트 기기뿐만 아니라 EMP 차폐, 스텔스 기술 등 국방 및 안보 분야에서도 광범위하게 활용될 것으로 기대됩니다. 다만 이 혁신적인 나노 소재를 상용화하기 위해서는 넘어야 할 과제가 남아 있습니다. 맥신(MXene)은 인공적으로 제조된 소재인 만큼 원료 제조부터 부품 장착까지 이어지는 안정적인 공급망 확보가 무엇보다 중요합니다. 소재의 대량 생산 시스템 구축과 효율적인 부품 제조 기술에 대한 종합적인 연구 협력이 뒷받침된다면, 조만간 우리 일상 속 전자기기들이 전자기파 간섭 없이 완벽하게 작동하는 미래가 올 것입니다.
