휠 수 있는 새로운 전도물질

현재, 착용 에너지 저장 소자들과 같은 차세대 기술이 발전하는데 도움을 줄 수 있는 재료 과학 연구에서 새로운 돌파구를 마련해 주고 있다. 연구원들은 접을 수 있을 정도로 플렉서블하고 이 물질의 무게에 수 배를 지지할 정도로 강한 새로운 전기 전도성을 가진 나노물질을 개발했다. 그들은 전기 에너지 저장, 물 여과와 라디오주파수 차폐 등의 응용에 사용될 수 있다고 믿고 있다.

전하를 저장하고 사용하는데 유용하며 다양한 모양들로 뒤틀려질 수 있는 얇은 물질을 찾거나 만드는 것은 재료 과학 분야에서 희소가치가 있다. 물질을 늘렸을 때 그 물질의 강도인 인장 강도와 무게를 지지하는 능력인 압축 강도는 수 원자 두께에서 그들의 유용성이 물리적인 특성에 거의 전체적으로 예상하기 때문에 이 물질들에 대한 가치있는 특성이다.

예를 들어 시계에 전력을 공급하는 작은 리튬 이온 배터리의 전극은 이상적으로 이 전극이 매우 작은 전도 물질을 가지고 장시간 동안 시계를 움직일 충분한 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 만약 시계의 손목 밴드를 배터리로 만들기를 원한다면, 매우 얇고 에너지를 저장할 수 있으며 손목 둘레를 휠 수 있을 정도로 플렉서블할 필요가 있는 전도물질을 이용해야 한다. 물질의 유연성이나 인장 강도 중 하나의 물리적인 특성을 변화시켜 새로운 가능성을 열 수 있다고 공과대학 교수인 미셸 바르소움 박사가 전했다.

전도 폴리머 나노합성물질로 구분되는 플렉서블한 새로운 물질은 MXene라고 불리는 합성 이차원 물질 종류로 드렉셀 재료공학과에서 계속 진행중인 연구의 최근 결과이다.

이 개발은 드렉셀 공과대학 교수인 유리 고고치 박사와 중국 달리안 기술 대학 화학공학과 연구 부학장 지에샌 퀴우 박사의 연구 그룹들 사이 협연에 의해 진행되었다. 달리안 대학 박사과정 학생인 젱 링은 최초의 MXene 폴리머 합성물질을 얻기 위한 연구를 진행시키기 위해 드렉셀에서 일년을 보냈다.

드렉셀 연구팀은 과학적인 보물을 발굴하기 위해 퇴적물을 조심스럽게 솔질하는 고생물학자처럼 MXene을 부지런히 조사해왔다. 2011년 적층 카바이드 물질을 발견한 후, 공학자들은 다양한 다른 유용한 특들을 가지는 전도 물질들을 만들기 위해 화학적이고 물질적인 보완 방법들을 찾고 있다.

MXene이 이 물질의 능력들에 도움을 주었던 가장 성공적인 방법들 중 하나는 액체 형으로 다양한 화학 화합물들을 첨가하는 치윤법이라는 과정이다. 이 과정은 MXene의 층들 사이에 분자들이 들어갈 수 있게 해 그 물질의 물리적이고 화학적인 특성을 개선한다. 이로써 MXene이 에너지 저장을 위한 큰 가능성을 가졌다는 것을 확인했다.

플렉서블 전도 폴리머 나노합성물질을 얻기 위해, 연구원들은 엘머 풀로 알려진 종이 접촉제로 폭넓게 사용되는 폴리머이며 헤어 젤과 실리퍼티 (silly putty) 등 콜로이드를 위한 제작방법에서 자주 발견되는 폴리비닐 알콜 (PVA)을 가지고 타이타늄 카바이드 MXene을 치윤했다. 또한 그들은 물 정화 시스템들에서 응고제로 일반적으로 사용되는 PDDA (폴리디알리디메틸암모늄)이라 불리는 폴리머를 치윤했다.

MXene의 특이성은 나노미터 두께 카바이드 층들의 금속적인 전도성을 유지하면서 MXene 플레이크와 폴리머 분자들 사이 강한 결합을 이끄는 수산기 등 표면이 기능 그룹들로 가득하기 때문에 발생했다. 이는 특성들의 특이한 결합을 가진 나노합성물질을 이끌었다.

MXene 시험의 결과들은 “Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance “라는 제목으로 국립 과학 아카데미 학회지에 최근 게재되었다. 이 논문에서, 연구원들은 이 물질이 원래 MXene보다 많은 전하를 저장할 수 있고 300-400 퍼센트 향상된 강도를 보인다고 보고했다.

연구원들은 MXene 폴리머 나노합성물질의 부피 용량이 일반적인 탄소 기반 전극들이나 심지어 그래핀 보다 훨씬 더 높을 수 있다는 것을 보였다고 드렉셀 고고치 박사의 박사과정 학생인 챙 렌이 말했다. 몇 가지 전해질 염이 포함된 PVA를 가지고 MXene를 혼합할 때, 이 폴리머는 전해질로 역할을 하지만 이온들이 전극 내로 깊숙히 침투할 수 있도록 PVA가 MXene 플레이크 사이 층간 공간을 약간 넓히기 때문에 용량을 개선한다. 또한 이온들은 이 폴리머에 의해 MXene 플레이크들 근처에 포획된다. 이 전도 전극들과 무액체 전해질로 연구원들은 결국 금속 전류 수집기를 없애고 더 가볍고 더 얇은 수퍼캐패시터를 만들 수 있다고 전했다.

또한 이 테스팅은 파괴나 분해 없이 이 나노합성물질이 물 속에서 안정적으로 남아있기 때문에 물정화나 담수를 위한 멤브레인과 같은 물 처리 시스템들에서 사용될 수 있게 이 물질의 친수성을 보였다.

더욱이, 이 물질이 매우 플렉서블하기 때문에, 초기 테스트들이 기계 강도를 증가시키기 위해 보여준 튜브형으로 말 수 있다. 이 특성은 플렉서블 장비에서 우주항공 소자들까지 응용들을 위해 이 나노합성물질을 사용할 수 있게 해 준다. 이 연구그룹의 다음 단계는 개발된 나노합성물질의 특성에 영향을 줄 수 있는 MXene과 폴리머의 비율을 어떻게 변화시킬지 조사하고 구조적인 응용들을 위해 다른 MXene과 더 강하고 튼튼한 폴리머들을 조사할 예정이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 휠 수 있는 새로운 전도물질