원자력및양자공학과 류호진 교수팀, 고엔트로피 세라믹 전략으로 양면 원자 조성 다른 층상 구조 구현

KAIST 연구진이 양면의 원자 구성이 서로 다른 차세대 2차원 나노소재인 비대칭 맥신 제작에 필요한 핵심 원료를 합성했다. 기존에는 컴퓨터 시뮬레이션으로 주로 존재 가능성이 제시됐던 비대칭 맥신의 전구체를 실험적으로 구현한 성과로, 방사성 핵종 포집과 전자파 차폐·흡수 소재 등 기능성 소재 개발의 기반이 될 것으로 기대된다.

KAIST는 원자력및양자공학과 류호진 교수 연구팀이 비대칭 맥신 제작에 필요한 비대칭 층상 세라믹을 실험적으로 합성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 비대칭 층상 세라믹은 원자층이 층층이 쌓인 구조를 가지면서 양면의 원자 구성이 서로 다른 세라믹 소재로, 화학적 식각 공정을 거치면 비대칭 맥신으로 전환될 수 있는 전구체 역할을 한다.

맥신은 전기전도도와 표면 반응성이 뛰어난 2차원 나노소재로, 에너지 저장장치와 센서, 전자기파 차폐, 방사성 핵종 흡착 등 다양한 분야에서 주목받아 왔다. 맥신은 일반적으로 층상 세라믹 원료 구조에서 알루미늄과 같은 특정 원소층을 선택적으로 제거해 얻는 2차원 금속 나노시트다.

그러나 지금까지 개발된 맥신은 위아래 양면의 금속 원자 조성이 같은 대칭 구조가 대부분이었다. 대칭 구조는 안정적인 소재 설계에 유리하지만, 양면이 서로 다른 기능을 수행하는 방식의 새로운 물성 구현에는 한계가 있었다.

비대칭 맥신은 양면의 원자 조성이 서로 달라 각기 다른 기능을 수행할 수 있는 소재다. 이러한 비대칭성은 기존 대칭 구조 소재에서는 구현하기 어려운 기능을 발현할 수 있는 기반이 된다. 연구팀은 특히 방사성 핵종 제거용 흡착 필터와 전자파 흡수·차폐 소재 등 차세대 기능성 소재로의 활용 가능성에 주목했다.

비대칭 맥신을 합성하려면 우선 비대칭 정렬 구조를 가진 MAX상이 전구체로 필요하다. MAX상은 전이금속, 13~16족 원소, 탄소 또는 질소로 구성된 층상 세라믹으로, 맥신을 만들기 전 단계의 원료 구조다. 하지만 기존 MAX상은 결정학 규칙상 바깥 두 전이금속층의 조성이 대칭을 이루는 구조여서, 비대칭 MAX상은 그동안 이론적으로만 예측돼 왔다.

광고

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 고엔트로피 재료 설계 전략을 적용했다. 고엔트로피 세라믹은 다섯 가지 이상의 원소를 비슷한 비율로 혼합해 구조를 안정화하는 소재 설계 방식이다. 연구팀은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 탄탈륨, 알루미늄, 주석 등 6개 원소를 동시에 혼합했다.

그 결과 원자 크기 차이에 의해 바깥쪽 금속 원자층의 조성이 서로 다르게 배열되는 안정적인 비대칭 구조가 자연스럽게 형성되는 현상을 확인했다. 연구팀은 이를 기존 맥신 원료 소재에서 보고된 적 없는 새로운 구조 형성 메커니즘으로 설명했다.

연구팀은 합성된 비대칭 층상 세라믹의 구조를 X선 회절, 수차보정 투과전자현미경, 에너지분산분광법, 표면 분석, 역-몬테카를로 시뮬레이션, 제1원리 계산 등을 종합해 검증했다. 역-몬테카를로 시뮬레이션은 X선 전체 산란 실험 데이터를 역으로 재현하도록 원자 위치를 반복 조정해 3차원 원자 배열 모델을 구축하는 계산 기법이다.

이번 성과는 이론에 머물러 있던 비대칭 맥신을 실제로 구현하기 위한 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다. 비대칭 맥신은 방사성 핵종 포집, 전자파 차폐·흡수, 센서, 압전소자 등 다양한 첨단 기술 분야로의 확장 가능성이 제시돼 왔다.

다만 연구팀은 비대칭 맥신의 실제 성능은 후속 실험을 통해 검증해야 한다고 밝혔다. 현재 단계에서는 비대칭 층상 세라믹 전구체 합성에 성공한 것이 핵심이며, 비대칭 맥신 자체를 대량으로 분리하기 위해서는 전용 식각 공정 개발이 필요하다. 연구개요에 따르면 HF 기반 습식 에칭에서는 알루미늄은 제거됐지만 주석은 거의 제거되지 않았고, 750도 용융염 에칭에서도 주석이 완전히 제거되지는 않았다.

연구팀은 현재 비대칭 층상 세라믹과 이를 활용한 비대칭 맥신에 대해 한국, 미국, 일본에 특허를 출원했다. 후속 연구에서는 실제 방사성 이온 제거 성능과 전자파 차폐 성능을 검증할 계획이다.

류호진 교수는 “이번 연구는 기존 결정학으로는 구현하기 어려웠던 비대칭 원자 구조를 고엔트로피 재료 설계를 통해 구현한 사례”라며 “향후 방사성 핵종 포집과 전자기파 차폐 등 안전·환경 분야의 핵심 원천기술로 발전할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 KAIST 이민석 박사가 제1저자로 참여했으며, KAIST 성현우 박사가 공저자로 참여했다. 두 연구자는 현재 한국원자력연구원에 재직 중이다. 연구 성과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 4월 30일 게재됐다.

논문명은 ‘An Asymmetrically Out-of-Plane Ordered MAX Phase as a Precursor for Janus MXenes’이며, DOI는 10.1038/s41467-026-72561-y다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 원자력기초연구지원사업의 지원으로 수행됐다.

이번 성과는 곧바로 상용 소재가 완성됐다는 의미보다는, 비대칭 맥신이라는 새로운 2차원 소재를 실험적으로 구현할 수 있는 전구체를 제시했다는 데 핵심이 있다. 연구팀은 전용 식각 공정 개발과 방사성 이온 포집 성능 검증, 장기 안정성 평가를 이어가고, 장기적으로는 고엔트로피 설계 원리를 다양한 층상 소재로 확장해 새로운 구조의 기능성 소재를 탐색할 계획이다.

#KAIST #류호진교수 #비대칭맥신 #고엔트로피세라믹 #방사성핵종포집