전기적 히터는 공간 가열, 자동차 및 빌딩의 서리 제거, 의료 기기 등의 넓은 분야에 유용하게 이용되고 있다. 뿐만 아니라, 최근에는 유연 전자 소자나 인간의 건강관리(health care) 분야에 응용되는 기능성 히터들이 주목 받고 있어, 투명성 및 기계적 유연성이 확보된 히터들에 대한 요구가 증가하고 있다.
이와 같은 전기적 히터 역할을 수행할 수 있는 기존 소재로는 높은 전기 전도도를 가지는 금속 나노와이어(nanowire) 재료들이 있지만, 높은 밀도를 가질 뿐만 아니라 공정적 한계 및 유연 소자에 적용시키기 어렵다는 단점을 지니고 있다. 최근 많은 각광을 받은 저차원의 나노 재료들은 높은 전기 전도도에 의해 기존의 금속을 대체할 수 있는 차세대 히터 소재로써 큰 주목을 받았고, 다양한 히터 응용 연구들이 보고 되어왔다.
하지만, 대표적인 2차원 나노 재료인 그래핀은 매우 뛰어난 전기 전도도와 투명성을 가짐에도 불구하고, 대면적으로 성장시키기 어려운 한계들을 지니고 있으며, 이들의 대체자로써 산화 그래핀은 표면 기능기들의 존재에 의해 용액 내에 분산이 가능하고, 표면의 공유 및 비공유 기능화를 바탕으로 혼성화 또는 코팅이 용이한 장점이 있지만, 산화 그래핀은 산화 공정에서 필수불가결하게 발생하는 결함 발생 및 이로인해 전기 전도도의 감소 및 히터 효율 감소 한계를 지니고 있다.
아울러, 산화그래핀의 환원 공정은 유해성 유기물들을 사용하거나 또는 고온의 에너지원을 필요로 한다는 단점을 가진다. 따라서, 차세대의 기능성 히터 응용을 위하여 우수한 성능 및 공정성을 모두 확보할 수 있는 신규 소재 개발이 필요한 시점이다.
이에 국내연구진 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 물질구조제어연구센터 구종민 센터장과 연세대학교 나노고분자연구실 박철민 교수 공동 연구팀이 각광받는 2차원 나노 신물질인 맥신(MXene)을 기반으로 한 유연하고, 대면적으로 제작이 가능한 차세대 투명 웨어러블 히터를 개발한 것이다.
KIST 구종민 센터장은 금속과 같은 수준의 높은 전기 전도도(106S/m)를 갖는 2차원 나노재료인 맥신(MXene)을 개발한 바 있다.(Science 353, Issue 6304, 2016) 이 맥신(Ti3C2) 소재는 높은 전기전도도 뿐만 아니라 표면에 많은 친수성 그룹(-OH)을 포함하고 있어 용액공정을 가능하게 할 수 있다. 연구팀은 이러한 맥신을 활용하여 용액공정을 통한 히터를 개발하여 다른 후보물질들이 해결하지 못했던 문제를 해결했다.
KIST-연세대 공동연구진은 이번 연구를 통해 다양한 기판에 수십 나노 수준의 얇은 2차원 박막을 구현하였으며, 맥신의 우수한 전기적 성질을 활용하여 빠른 응답속도 및 우수한 성능을 보이는 히터를 개발했다. 또한, 고분자 기판위에 박막을 형성하여 유연하면서도 큰 면적을 갖는 히터 소자에 적용할 수 있음을 보였다. 나아가, 실용적인 히터 제작을 위해 다양한 섬유 위에 맥신 히터를 제작하여 바느질 및 직조 가능한 새로운 방식의 입는 히터 방식(웨어러블)을 제시하였다.
KIST 구종민 센터장은 “우수한 광 투과도를 가지는 맥신(Ti3C2) 히터를 세계 최초로 제시하고, 실생활에 사용 가능한 고분자 섬유위에 코팅하여 차세대 웨어러블 히터를 개발하였다.”며 “향후 맥신 박막을 기반으로 한 향상된 히터를 구현할 수 있을 것으로 기대되며, 장기적으로는 용액공정을 활용한 차세대 2D 전기 소자에 적용이 가능할 수 있을 것으로 사료된다”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 도약과제, 중견 연구자 사업, 미래 소재 디스커버리 사업으로 수행되었다. 본 연구 결과는 과학전문지인 ‘ACS Nano’ (IF:13.709, JCR 분야 상의 4.035%) 최신호에 게재되었다. [논문명: Shape-Adaptable 2D Titanium Carbide (MXene) heater]
참고) 맥신(MXene): 전이금속 카바이드라 불리는 맥신(MXene)은 티타늄(Ti), Mo, Hf, Ta 등 과 같은 중금속 원자와 탄소(C) 원자의 이중 원소로 이루어진 나노물질로, 1~2nm(나노미터)의 두께와 1-5µm(마이크로미터)의 길이를 가지는 이차원의 판상구조이다. 기존 나노소재보다 제조공정이 간편하고 저비용으로 생산할 수 있으며 전기전도성이 매우 우수하다는 특징을 지니고 있다. 일반적으로 맥신은 전이금속, 카본, 14족 원소(알루미늄 또는 실리콘) 간의 적층구조를 지니는 맥스상(MAX phase) 이라고 하는 세라믹 재료의 에칭으로 합성된다.