6G 전자파 막고 배터리 수명 늘린다... UNIST '카멜레온 맥신' 개발

머리카락 굵기보다 수천 배 얇은 초박막 필름이 6G(6세대 이동통신) 대역의 강력한 전자파를 완벽히 차단한다. 동시에 탄소 함량만 조절하면 전기차 배터리의 급속 충전 성능을 높이는 에너지 저장체로 변신한다. 국내 연구진이 탄소 조성 제어를 통해 신소재 맥신(MXene)의 구조와 기능을 자유자재로 설계하는 기술을 확보했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)은 울산과학기술원(UNIST) 권순용(KWAN SOONYONG)·최은미(CHOI EUNMI) 교수 연구팀이 맥스(MAX) 전구체의 탄소 함량을 정밀 조절해 맥신의 나노 구조를 선택적으로 합성하는 데 성공했다고 21일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 18일 게재됐다.

탄소 함량이 결정하는 '두 얼굴'의 신소재
맥신은 금속층과 탄소층이 교대로 쌓인 2차원 나노 소재로, 전기전도성이 높고 가공이 쉬워 '꿈의 소재'로 불린다. 연구팀은 맥신의 원료인 맥스 전구체 내 탄소 조성(x)을 1.71에서 1.94 범위 내에서 미세하게 조정했다.

분석 결과, 탄소가 풍부한 조건(x=1.94)에서는 평면 형태의 나노시트 구조가 형성됐다. 23,300 S/cm에 달하는 금속 수준의 전기전도도를 기록한 평면 구조는 전자파 차폐에 최적화된 특성을 보였다. 반면 탄소가 부족한 조건(x=1.71)에서는 소재가 스스로 말리는 나노 스크롤 구조가 나타났다. 내부 공간이 확장된 스크롤 구조는 이온 이동이 원활해 에너지 저장 성능이 극대화됐다.

6G 통신 난제 해결... 100GHz 대역서도 안정적
연구팀이 개발한 29nm(나노미터) 두께의 초박막 맥신 필름은 차세대 통신 환경에서 독보적인 성능을 입증했다. 100GHz(기가헤르츠) 초고주파 대역에서 108dB(데시벨) 이상의 전자파 차폐 성능을 기록했다. 이는 자율주행 차량용 레이다나 6G 통신 장비에서 발생하는 간섭 현상을 효과적으로 제어할 수 있는 수준이다.

내구성 또한 확보했다. 반경 2.5mm 수준으로 5,000회 이상 반복해서 굽혀도 초고주파 차폐 성능을 안정적으로 유지했다. 기존 금속 차폐재가 무겁고 부식에 취약해 유연 기기에 적용하기 어려웠던 한계를 극복한 것이다.

에너지 저장 성능 99% 유지... 맞춤형 설계 플랫폼 구축
에너지 저장 분야에서의 성과도 뚜렷하다. 나노 스크롤 구조의 맥신은 3M 황산 전해질 환경에서 657 F/g의 정전용량을 구현했다. 특히 12,000회에 달하는 극한의 충·방전 반복 실험 후에도 초기 용량의 99.4%를 유지하며 수명 안정성을 증명했다.


권순용 울산과학기술원 교수는 "지난해 질소 치환 기술로 전도도를 높인 데 이어, 올해는 전구체 조성만으로 맥신의 물리적 구조 자체를 설계하는 단계에 진입했다"며 "초박막 조건에서 100GHz 대역 차폐 성능과 유연성을 동시에 확보한 만큼 6G 및 밀리미터파 통신 환경의 핵심 소재로 활용될 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상부와 기후에너지환경부 등 유관 부처의 차세대 소재 국산화 전략에도 기여할 전망이다. 연구팀은 동일한 합성 플랫폼 안에서 응용 목적에 따라 구조를 변경하는 '맞춤형 소재 설계'가 가능해짐에 따라 관련 공정의 효율성이 대폭 향상될 것으로 보고 있다.