신소재공학부 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발
▲ (왼쪽부터) 신소재공학부 구종민 교수, Zhenguo Gao 박사과정생, Aamir Iqbal 박사후연구원, Tufail Hassan 박사과정생, Shabbir Madad Naqvi 박사과정생
신소재공학부 구종민 교수 연구팀은 스텔스* 국방 기술 및 고집적 통신/전자기기의 전자파 차폐 기술에 활용할 수 있는 맥신(MXene) 전자기파 흡수 소재를 개발했다.
* 스텔스(stealth): 전자기파(波)를 흡수해 레이더 영상에 나타나지 않게 하는 기술로 레이더에 의한 항공기, 미사일의 조기 발견을 곤란케 하는 기술.
전자기파(electromagnetic wave)의 흡수 소재 개발은 레이더 탐지를 무력화하는 스텔스기술 및 통신/전자기기에서 발생하는 유해 전자파 차단·제거를 위해 꼭 필요한 기술로 많은 주목을 받고 있다.
현재 국내 스텔스 전투기 도료기술은 많은 부분을 해외에 의존하고 있어 이에 관한 연구와 개발이 필요하며 고집적 전자장치용 전자파 흡수 소재 개발을 위해서는 가볍고 얇으면서 코팅 가공성이 우수한 소재 기술 개발이 필요하다.
이에 신소재공학부 구종민 교수 연구팀은 맥신(MXene) 이차원 나노소재와 ZIP(zeolitic imidazolate framework) 나노소재의 자기조립 구조체를 이용하여 효율적인 스텔스 성능과 전자파 흡수 특성을 가지는 소재를 개발하였다.
▲ 맥신(MXene) 이차원 나노소재 구조 및 라디오파에서 적외선에 이르는 광대역주파수 범위에서 발현되는 우수한 전자파 차폐 효과
맥신 소재 (MXene)는 Ti(티타늄), V(바나듐), Mo(몰리브덴) 등과 같은 전이금속(M)과 질소 또는 산소 원소(X)를 포함하는 전이금속탄화물 또는 질화물(Mn+1Xn, n=1=4) 이차원 소재로 전기전도성이 매우 우수한 특성 을 가진다. 또한 다량의 표면작용기가 존재하여 표면 음전하 특성을 보이는 나노소재이다. 반면 ZIP 나노소재는 CO2+와 같은 금속양이온과 2-methylimidazole(Hmim)와 같은 유기분자 음이온으로 형성된 3차원 나노소재이다. 연구팀은 유기분자구조를 조절하여 표면양전하를 띠는 ZIP 나노소재를 제조하였다.
▲ 맥신-ZIF 나노입자의 자기조립구조 및 형성된 하이브리드 구조의 내부전기장(BIEF)형성 효과
연구팀은 맥신의 표면 음전하 특성과 ZIF 나노입자의 표면 양전하 특성을 이용해 정전기적인력(electrostatic interaction)에 의한 자기조립 하이브리드 나노구조 소재를 제작하였다. 이 소재는 각 나노소재의 상반된(음·양전하) 표면전하특성에 의해 이종계면(heterointeface)에서 매우 강한 내부 전기장(built-in electric field, BIEF)이 형성된다. 이 내부 전기장이 강한 유전손실을 유도하여 X-band (8~12 GHz) 주파수 영역*에서 2.5mm 두께의 스텔스 성능(반사손실 RL)을 보여주었고 47.5dB, 유효밴드범위가 6.3GHz인 우수한 전자파 흡수 성질 및 스텔스 성능을 가진다는 것을 밝혔다.
▲ 맥신-ZIF 하이브리드의 계면에 형성된 내부전기장(BIEF) 효과 및 BIEF효과에 의해유도된 우수한 스텔스 성능
연구팀은 개발된 맥신 나노소재가 저주파인 라디오파(RF)에서부터, X-band, 테라헤르츠, 적외선에 이르는 광범위한 주파수 영역에서 우수한 전자기파 차폐 및 흡수 성능을 가지는 소재임을 확인하였다. 이를 활용하면 스텔스 응용뿐 아니라 통신/전자소자용 차폐 소재, 적외선 스텔스, 적외선 위조 방지 등 다양한 기술로 활용 가능하다.
구종민 교수는 “맥신 소재는 향후 국내 KF-21 스텔스 전투기 제작사업에서 스텔스 소재로 활용할 수 있으며 그 외에도 최첨단 고집적 전자소재 그리고 전기 자동차의 유해 전자파 흡수 소재로도 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
과학기술정보통신부의 중견연구자사업, 나노및소재 사업, 출연연융합연구사업과 포스코(POSCO)의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 성과는 Advanced Materials(IF: 29.4)와 Nature Reviews Electrical Engineering 저널에 동시에 온라인 게재되었다.
○ 관련 언론보도
- 성균관대 "구종민 교수팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발" <에듀동아, 2024.04.04.>
- 성균관대 구종민 교수팀, 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <이뉴스투데이, 2024.04.04.>
- 성균관대 구종민 교수팀, MXene 전자기파 흡수 소재 개발 <브릿지경제, 2024.04.04.>
- 성균관대 구종민 교수 연구팀 전자파 흡수해 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <베리타스알파, 2024.04.04.>
- 성균관대 구종민 교수 연구팀, 전자파 흡수 스텔스 기능 갖춘 맥신 소재 개발 <팝콘뉴스, 2024.04.04.>
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