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몰리브덴과 티타늄으로 이루어진 원자 샌드위치 구조체, 탄소원자는 두 층을 결합을 유지시키는 역할을 한다.


미국 대학 연구진이 에너지를 저장하는 새로운 원자 샌드위치 구조체를 개발하는 데 성공했다.
자연의 한계를 시험하는 직업을 가진 과학자들 특히, 화학자들은 주기율표에 나타나지 않는 새로운 안정된 물질을 발견하기 위해서 여러 원자층을 분리하거나 층상으로 쌓아 올리는 실험을 진행하곤 한다.
이번에 드렉셀대학(Drexel University) 연구진은 에너지를 더 효율적으로 저장할 수 있는 새로운 소재를 개발하는 데 성공했다. 이번에 개발된 소재는 첨단 전자소자에 적용 가능할 것으로 기대된다.


연구진은 몰리브덴, 티타늄, 탄소를 이용하여 2차원의 새로운 적층 구조를 만드는 데 성공했다.
드렉셀대학 Michel W. Barsoum 교수 연구진은 이번에 2차원의 샌드위치 원자 구조체를 만드는 데 성공했다. 이러한 2차원 원자 구조체는 매우 안정적인 상태를 유지한다.
연구진은 몰리브덴, 티타늄, 탄소를 이용하여 2차원 샌드위치 구조체를 만들었다.
샌드위치 구조체는 몰리브덴으로 이루어진 단일 원자층과 천이금속인 티타늄의 2중 구조체를 이루고 있다.
탄소는 양원자 층을 결속하는 역할을 한다. 연구진은 이러한 방법으로 기존에 불가능하게 여겨졌던 강하고 안정된 결합을 가진 구조체를 만드는 데 성공했다.


이번 연구결과는 최근 저널 ACS Nano에 소개되었다. “이번에 개발된 구조체는 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터 등 에너지 저장 기술 분야에 활용될 수 있을 것”이라며, “이러한 새로운 구조체는 미래의 에너지 저장 기술에 큰 혁신을 가져다 줄 것으로 기대한다”고 연구진은 밝혔다.
2차원의 원자층으로 이루어진 구조체를 이용하여 새로운 소재를 개발하는 것은 매우 어려운 과제라고 연구진은 설명했다.
구조적인 특성과 그로 인한 전기적 특성은 두 원자층을 결합하기 위해서는 극성이 같은 자석을 같은 방향으로 맞대어 붙이는 것과 같은 어려움이 따른다.


연구진은 이러한 문제를 극복하기 위해서 맥스상(MAX phase)이라고 불리는 물질을 이용했다.

연구진은 2011년 엠진(MXene)이라고 불리는 이차원의 안정된 구조체를 개발했다.
이러한 엠진을 형성하기 위해서 연구진은 산은 이용하여 맥스상에서 알루미늄 원자들을 선택적으로 추출했다. 엠진은 합판과 같이 분리된 목재 판을 접착제와 같은 물질로 접합시킨 구조체이다.
맥스상으로 이루어진 구조체를 특정한 물질로 에칭을 하여 2차원의 엠진 구조체를 만들었다. 이러한 엠진 구조체는 그래핀보다 뛰어난 에너지 저장능력을 가지고 있다.


연구진은 천이금속을 이용하여 맥스상을 만들었으며 이를 에칭하여 다양한 조성을 가진 엠진을 만들었다. 연구진은 이러한 엠진의 에너지 저장 특성을 평가하였다.
연구진은 현재 이론적인 계산에 근거하여 천이금속을 이용하여 24개의 새로운 소재를 설계했다. 이를 통해서 기존에 알려지지 않은 새로운 특성을 가진 구조체를 설계하는 것이 가능하게 되었다.
이러한 새로운 층상 결합 방법은 첨단 전자 소자를 설계하는 데에 필요한 특성을 가진 재료 설계에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
이번 연구는 저널 ACS Nano에“Two-Dimensional, Ordered, Double Transition Metals Carbides“라는 제목으로 게재되었다. (doi/abs/10.1021/acsnano.5b03591)

위 자료는 KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』의 발표자료를 요약한 것이다.

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