신소재공학과 구종민 교수 연구팀은 숭실대학교 정영진 교수와의 공동 연구를 통해 맥신(MXene)과 탄소나노튜브(CNT)로 구성된 유연하고 경량이며 기계적으로 견고한 야누스 필름구조의 다기능성 맥신 하이브리드 소재를 개발하였다. 이 혁신적인 필름은 극저온부터 고온까지의 극한 우주 환경에서도 우수한 전자파 차폐 (Electromagnetic shielding) 기능과 함께, 적외선 (Infrared) 은폐(Camouflage)/감지(Detection) 기능을 동시에 구현할 수 있다. 이 연구는 제1저자인 Dr. Tufail Hassan의 주도로 진행되었으며, 국제적으로 저명한 저널인 Nano-Micro Letters(IF: 31.6)에 게재되었다.

현대의 국방, 항공우주, 웨어러블 전자기기 분야에서는 고온, 극저온, 열충격 등 극한 환경 하에서도 안정적인 전자파 및 적외선 신호 제어가 가능한 다기능성 소재에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다.

맥신은 뛰어난 전기전도도와 낮은 적외선 방사율 (emissivity)을 바탕으로 유망한 후보 물질로 주목 받고 있으나, 기계적 강도 및 열충격 내구성의 한계로 인해 실사용이 제약이 있다.

본 연구팀은 고결정성의 Ti₃C₂Tₓ 맥신 나노소재를 합성하고, 기계적 강도가 우수한 CNT 필름과 결합하여 이종계면 기반 야누스 하이브리드 구조를 구현함으로써, 이러한 문제를 효과적으로 해결하였다.

그 결과, 얇은 15μm 두께의 맥신/CNT 야누스 필름은 X-밴드 마이크로웨이브에서 72dB의 전자파 차폐 성능, 0.09이하의 적외선 방사율, 우수한 적외선 감지 민감도등 뛰어난 다기능 특성을 동시에 구현하였다. 뿐만 아니라, 제작된 필름은 우주환경을 모사한 극저온 및 급격한 충격에서도 기계적·구조적 안정성과 성능을 유지하여, 기존의 소재들을 능가하는 경량화, 유연성, 기계적 강도, 극한환경 내구성, 전자파 차폐도, 및 적외선 은폐 및 감지 기능을 모두 확보하였다.

이번 연구는 전자파 및 적외선 차폐/스텔스 소재의 새로운 기준을 제시할 뿐만 아니라, 군사, 항공우주, 웨어러블 전자장치 등 극한 환경에 강한 스마트 시스템 개발을 위한 핵심 플랫폼 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임) 중견연구자사업 (2022R1A2C3006227), 나노 및 소재 사업(2021M3H4A1A03047327), 국가과학기술연구회(NST) 미래 모빌리티 동작 신뢰성 확보를 위한 고주파/고출력 전자파 솔루션 소재·부품 기술 개발 사업(CRC22031-000) 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 국제 학술지 「Nano Micro Letters, 2024, 16, 216」 (IF 27.4, JCR 분야 1.9%) 최신 호에 게재됐다.

Paper title: Multifunctional MXene/Carbon Nanotube Janus Film for Electromagnetic Shielding and Infrared Shielding/Detection in Harsh Environments

Journal: Nano-Micro Letters DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01431-3

Figure 1: A schematic illustration highlights the film’s excellent mechanical strength, electromagnetic interference shielding, infrared shielding/detection capabilities, and remarkable retention of performance even after repeated bending cycles and thermal shock with a temperature difference of 396 °C.