맥신은 과연 '꿈의 신소재'인가

맥신은 과연 '꿈의 신소재'인가

대학생신재생에너지기자단 24기 김석언

 

[세계를 뒤흔든 초전도체, 그 다음 주자는 맥신?]

[자료 1. 맥신의 층상 구조]

출처 : Advanced Mateirals

최근 과학계를 가장 크게 뒤흔든 키워드는 단연 ‘초전도체’일 것이다. 국내 연구진이 세계 최초로 물질의 저항이 0이 되는 초전도 현상을 상온 상압에서 구현하는 데 성공했다고 보고해 학계뿐 아니라 전 세계가 떠들썩했다. 관련 회사들의 주식 가격이 급등했고, 세계적으로 많은 연구팀들이 이 현상을 재현하기 위해서 달려들었다.

상온 상압 초전도체 검증을 둘러싸고 과학계가 아직 뜨거운 논쟁을 벌이고 있을 때, 주식 시장에서는 초전도체의 열기가 가시기 전 또 다른 ‘꿈의 신소재’ 맥신(MXene) 열풍이 불기 시작했다. 맥신의 물성을 예측하고 분류시스템을 구축하는 방법이 제시된 논문이 게재되며 맥신 대량생산의 길이 열렸다는 언론 보도가 나오면서 초전도체에 쏠렸던 투심이 새로운 타깃 맥신으로 내달렸다. 맥신은 정말 ‘꿈의 신소재’일까, 아니면 그저 주식시장 테마주 광풍의 희생양에 불과할까.

 

[맥신이란?]

 

[자료 2. 맥신의 구성 원소와 구조]

출처: ACS Nano 

맥신은 전이 금속, 탄소 혹은 질소, 그리고 다양한 종류의 표면 작용기들로 구성된 2차원 나노 소재들을 일컫는다. 맥신의 일반적인 분자식은 M_n+1X_nT_x로 나타내는데, M은 전이 금속, X는 탄소 혹은 질소, T_x는 다양한 종류의 표면 작용기를 지칭한다. n은 1부터 4까지의 상수이다. 2011년 유리 고고치 미국 드렉셀대 재료공학부 교수 연구팀에서 최초의 맥신 Ti₃C₂T_x를 발견한 이후 현재까지 다양한 조합의 원소들을 이용한 맥신 합성이 계속되고 있다.

[자료 3. 맥신의 합성 과정]

출처: Materialstoday Chemistry

맥신을 합성하는 방법은 다양한데, 그중 가장 일반적인 방법은 세라믹 돌덩이인 맥스(MAX)라는 물질을 강한 산성 수용액에 담가 녹이는 것이다. 맥스는 전이 금속을 의미하는 M, 알루미늄 A, 탄소 X 층으로 구성된 맥신의 전구물질(precursor)이다. 이 방법은 크게 식각(etching)과 층간 박리(delamination) 두 개의 과정으로 구성된다. 첫 번째 식각 단계에서 맥스를 불산(HF)과 같은 산성 용액에 담그면 알루미늄층인 A층이 제거되어 M층과 X층들만 남아 맥신 다중층(multilayer)을 구성한다. 두 번째 층간 박리 단계에서는 양이온과 같은 층간 삽입 물질(intercalant)을 넣고 물리적인 힘을 가해 다중층을 단일층(single layer)으로 만든다. 이 과정을 거치면 두께 1㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1m) 수준의 2차원 물질이 만들어지며, 산성 수용액 속 산소와 불소 같은 작용기 분자가 맥신 표면층인 Tx 층을 구성한다.

[자료 4. 맥신의 활용]

출처: Energy & Environmental Sciences

맥신은 표면이 친수성을 띠고 있어 물이나 고분자 물질과 섞기 용이하다는 장점이 있다. 또 전기전도성이 높고 여러 금속화합물과 조합해 수백, 수천 가지 종류로도 만들어 낼 수 있다. 합성하는 금속과 탄소 종류에 따라 성질이 다르게 나타나 어떤 맥신은 자성을 띠기도 하고, 어떤 맥신은 전기전도성을 보이기도 한다. 이 때문에 반도체, 전자기기, 센서 등 다양한 산업에서 활용될 것으로 기대되고 있다.

 

[맥신의 '장및빛 미래', 정말일까?]

‘긴급 속보, 맥신 대량생산 확정’, ‘맥신이 초전도체 박살 냈다’….

맥신 광풍은 국내 연구팀에서 맥신의 대량생산 길을 열었다는 연구 결과가 기사화되면서부터 시작되었다. 한국과학기술연구원은 본원 연구팀이 맥신의 자기 수 특성을 이용해 표면의 분자 분포를 예측하는 방법을 개발했다고 지난 8월 17일 밝혔다. 맥신은 합성 과정에서 불순물 격인 요소들을 완전히 제거하고 균일한 품질을 만들기 어려운 점이 있어 그동안 개발에 속도를 내지 못했다. 맥신을 합성했더라도 표면 작용기의 구성에 따라 특성이 달라지기 때문에, 합성 이후 추가적인 장치를 이용해 맥신의 표면 작용기를 분석해야만 한다. 연구팀은 추가적인 장치 없이도 맥신에 붙은 화학물질 종류를 간단한 수치로 분석하고 맥신의 물성을 예측하는 프로그램을 개발했다. 이 프로그램을 이용하면 맥신 표면의 분자 분포를 예측해 특성에 맞게 분류하거나 생산공정을 변경할 수 있다. 실제로 연구팀은 추가 장치 없이 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다고 밝혔다.

[자료 5. 맥신 표면의 분자 분포 예측]

출처: 아시아경제

그렇다면 맥신 광풍을 알리는 기사 내용처럼 이러한 연구 결과가 바로 맥신의 대량생산으로 이어질 수 있는가? 답은 아니다. 정확히 말해 연구진은 맥신 대량생산을 성공시킨 게 아니라 대량생산을 가능하게 할 수도 있는 프로그램을 개발한 것이다. 맥신은 아직 합성 과정에 많은 시간과 인력이 소모되므로 대량생산은 아직 갈 길이 멀다. 실제 실험실에서도 맥신은 보통 1g 정도의 소량 규모로 생산하며, 생산 규모를 늘릴수록 수율이 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 또 이 외에도 아직 맥신 합성에 따른 특성을 다 알지 못하고, 맥신의 산화되기 쉬운 특성으로 인해 안정성을 확보해야 하는 과제도 남아있다. 이 급작스러운 흐름에 물꼬를 터준 셈이 된 논문을 발표한 연구진 또한 정작 영문을 모르겠다며 당혹스러워했다. 해당 논문으로 당장 맥신을 대량 생산할 수 있지도 않고 상용화 시기는 여전히 짐작하기 어려울뿐더러 초전도체나 주식시장과는 아무런 관련이 없어서다. 이 기술이 정말 맥신 대량생산에 도움이 될지, 다양한 맥신을 데이터베이스화할 수 있을지 등을 확인해 볼 생각으로 연구진은 함께 일할 기업을 물색하려던 참이었다고 한다. 연구진은 되레 기술 상용화가 늦어지는 건 아닐지 우려하는 입장을 표하고 있다.

 

[결론]

연구진은 이번 성과를 공개하면서 “맥신 대량생산의 길이 열렸다”고 소개했다. 대량생산 가능성이 보이기 시작했다는 의미였지만, 주식시장에선 바로 대량생산에 들어갈 수 있는 것처럼 받아들였다. 이제 막 길을 닦고 있는데 고속도로가 열렸다고 생각한 셈이다. 과학자와 대중 사이의 거리가 여전히 멀다.

맥신보다 먼저 등장한 그래핀도 ‘꿈의 신소재’로 불렸다. 전기가 잘 통하면서도 쉽게 늘어나거나 구부러지고, 가벼우면서 내구성까지 강하다. 그래핀을 발견한 과학자가 노벨상을 받고 수많은 연구실에서 대량생산과 상용화를 시도했으나, 20년이 지난 지금껏 그래핀은 연구실 밖으로 나오지 못하고 있다.

신소재는 끊임없이 등장해왔지만, 상온 초전도체와 맥신처럼 폭발적인 관심을 끈 건 이례적이다. 한 과학자는 그 이유가, 많은 산업 공정이나 기술이 기존 소재를 활용하는 데 한계에 다다랐기 때문일 거라고 했다. 반도체 핵심 소재인 실리콘처럼 말이다. 참신한 신소재에 대한 갈망이 초전도체, 맥신 연구에 객관적 사실을 뛰어넘는 의미를 부여했을 거란 추측이다. 신소재가 산업 현장에 자리 잡기까진 적잖은 시간이 필요하다.

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1. "지구온난화 해결? 상온 상압 초전도체가 뭐길", 23기 고가현, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4175

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2. "완벽에 가까워지는 꿈의 신소재 '그래핀'", 20기 김원경, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3473

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참고문헌

[세계를 뒤흔든 초전도체, 그 다음 주자는 맥신?]

1) 이우일, "[매경춘추] 상온 초전도체 소동", 매일경제, 2023.10.06., https://www.mk.co.kr/news/contributors/10844442

[맥신이란?]

1) Yuri Gogotsi et al, ACS Nano, MXenes: Two-Dimensional Building Blocks for Future Materials and Devices, 15, 4, 5775-5780, 2021.

2) Kang Rui Garrick Lim et al, Nature synthesis, Fundamentals of MXene synthesis, 1, 601-614, 2022.

[맥신의 '장및빛 미래', 정말일까?]

1) 박정연, "꿈의 신소재 '맥신', 대량생산 길 열렸다", 동아사이언스, 2023.08.17., https://www.dongascience.com/news.php?idx=61224

2) 조인경, "[뉴스속 용어]테마주 열풍에 휩쓸린 신소재 '맥신'", 아시아경제, 2023.10.10., https://view.asiae.co.kr/article/2023101014521369850

[결론]

1) 임소형, "초전도체와 맥신", 한국일보, 2023.08.24., https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2023082414490003287