KR102469554B1 - 맥신 기반의 나노복합재 필름 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뛰어난 전기 전도성을 유지하면서 기계적 특성이 현저히 향상된 맥신 기반의 나노복합재 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 맥신 기반의 나노복합재 필름은 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하고, 상기 맥신-잔탄 단위체는 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 갖는다.

Description

맥신 기반의 나노복합재 필름 및 이의 제조 방법 {MXene-based nanocomposite film and its manufacturing method}
본 발명은 뛰어난 전기 전도성을 유지하면서 기계적 특성이 현저히 향상된 맥신 기반의 나노복합재 필름 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
맥신(MXene)은 Mn+1XnTx (n = 1, 2 또는 3)의 일반식을 갖는 전이 금속 카바이드 또는 질화물이며, 여기서 M 은 전이 금속을 나타내고, X는 탄소 또는 질소를 나타내고, T는 합성 과정에서 생성된 표면 기능기를 나타낸다(O, OH, F).
이러한 맥신은 높은 전기 전도도를 가지며, 합성 과정에서 생성된 표면 기능기는 맥신에 친수성과 높은 표면 전하를 제공하여 공유 결합, 수소 결합 또는 정전기적 상호 작용을 통해 다양한 물질과 결합될 수 있다.
따라서, 맥신(MXene)은 에너지 저장 장치, 전자파 간섭(EMI) 차폐, 흡착 및 분리, 치료 및 바이오센싱 등의 다양한 응용 분야에 활용 가능하다.
그러나, 맥신(MXene)은 불충분한 기계적 특성, 특히 변형 시 낮은 강도와 낮은 파괴 변형률 및 인장 강도로 인해 여전히 응용 분야의 적용이 제한되고 있다.
따라서, 뛰어난 전기 전도도를 유지하면서 기계적 특성이 개선된 맥신 기반 소재의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 뛰어난 전기 전도성을 유지하면서 기계적 특성이 현저히 향상된 맥신 기반의 나노복합재 필름 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 기반의 나노복합재 필름은 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하고, 상기 맥신-잔탄 단위체는 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 갖는다.
일 실시예에서, 상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 맥신(MXene)의 측면 크기는 1 내지 5 μm 인 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 맥신(MXene)의 표면 작용기와 잔탄(Xanthan)은 수소 결합하여 계면 상호 작용을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 경우, 상기 필름은 80 내지 130 MPa 의 인장강도를 가져 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 65wt% 이하로 포함되는 경우, 상기 필름은 2.36 내지 5.13 MJ/m3 의 인성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 경우, 상기 필름은 1.80 × 102 내지 3.61 × 105 S/m 의 전기 전도도 및 24 dB 이상의 전자파 간섭 차폐 효율(EMI shielding effectiveness)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 필름의 두께는 15 ㎛ 미만인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예인 맥신 기반의 나노복합재 필름 제조 방법은 맥신(MXene)을 포함하는 제1 용액 및 잔탄(Xanthan)을 포함하는 제2 용액을 혼합하는 단계, 혼합 용액을 멤브레인 필터로 진공 여과시키는 단계, 및 여과 후 생성된 막을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 혼합하는 단계에서, 제1 용액 및 제2 용액은 1 : 0.25 내지 1 의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 혼합하는 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 상기 건조시키는 단계는 10 내지 35℃ 의 온도로 수행하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 상기 제조 방법으로 제조되고, 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하고, 상기 맥신-잔탄 단위체가 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 갖는 맥신 기반의 나노복합재 필름을 제공할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 맥신 기반의 나노복합재 필름은 80 내지 130 MPa 의 인장강도, 1.80 × 102 내지 3.61 × 105 S/m 의 전기 전도도 및 24 dB 이상의 전자파 간섭 차폐 효율(EMI shielding effectiveness)을 가져 뛰어나 기계적 및 전기적 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명은 나크레(Nacre)의 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 미세 구조를 모사하여, 생체 적합성 고분자인 잔탄을 모르타르로 사용하여 맥신을 둘러싸도록 하며, 맥신-잔탄 단위체가 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 미세 구조를 가지기에, 맥신의 우수한 전기 전도도를 활용하면서도 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 필름은 맥신의 큰 측면 크기와 잔탄 고분자의 낮은 함유량으로 인해 맥신의 뛰어난 고유 전기 전도도를 보존할 수 있다.
또한, 맥신과 잔탄 바인더 사이의 강력한 계면 상호 작용을 통한 브릭-앤-모르타르 구조는 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있다.
아울러, 잔탄 폴리머의 안정화 기능으로 인한 강력한 맥신과의 계면 상호 작용은 나노 복합재 필름에서 맥신이 잘 분산될 수 있도록 하고, 균일하게 분포할 수 있도록 하여 필름의 기계적 및 전기적 특성이 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 필름은 전자파 간섭(EMI) 차폐 성능이 우수하며, 높은 에너지 전달 효율과 열 안정성 특성으로 인해 줄(Joul) 난방 장치에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 기반의 나노복합재 필름의 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 기반의 나노복합재 필름의 제조에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 MILD 방법에 의해 합성된 맥신의 특성을 평가한 결과를 나타낸다. ((a) XRD 패턴, (b) XPS 조사 스펙트럼, (c) MXene 현탁액의 UV 흡수 스펙트럼 및 이미지, (d) 멤브레인 필터에 수집된 MXene 시트의 SEM 이미지, (e-f) MXene 시트의 AFM 이미지 및 라인 1의 높이-프로파일 데이터)
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 필름의 SEM 이미지를 각각 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 맥신 기반 나노복합재 필름의 특성을 평가한 결과를 나타낸다. ((a) 두께 및 전기 전도도, (b) XPS 조사 스펙트럼, (c) XRD 패턴, (d) FTIR 스펙트럼)
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 기반 나노복합재 필름의 기계적 특성을 나타낸다. ((a) 인장 변형 하에서의 응력 변형 곡선, (b) 인장 강도 및 영률, (c) 파괴 변형률 및 인성, (d, e) MXF1 및 MXF3 의 파단면의 단면 SEM 이미지, (f) 종래의 맥신 기반 필름의 인장 강도 및 전기 전도도 비교 그래프)
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 기반 나노복합재 필름의 EMI 차폐 특성을 나타낸다. ((a) X 대역에서의 EMI 차폐 효과, (b) 총 EMI 차폐 효과(SEt), 흡수(SEA) 및 반사(SET) 기여율 (c) EMI 차폐 매커니즘의 개략도, (d) 두께에 따른 다른 재료와의 SSE/t 비교)
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 맥신 기반 나노복합재 필름의 줄(Joule) 가열 특성을 나타낸다. ((a) 3V 입력 전압 하의 적외선 카메라로 측정한 온도 변화 및 표면 온도 분포, (b) 바이알에 필름을 부착하여 굽힘 변형시 MXF3의 가열 성능, (c) 입력 전압에 따른 필름의 평형 온도 (d) 전력 밀도 함수에 따른 필름의 평형 온도 (e) 연속 가열 하에서 MXF1 및 MXF3의 온도-시간 그래프)
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥신 기반의 나노복합재 필름은 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하고, 상기 맥신-잔탄 단위체는 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 필름은 나크레(Nacre)의 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 미세 구조를 모사한 것으로(도 1 및 2 참조), 생체 적합성 고분자인 잔탄이 맥신 시트의 사이에 삽입되어 모르타르 또는 접착제 역할을 하여 맥신 시트와의 강력한 계면 상호 작용을 형성할 수 있다.
또한, 맥신-잔탄 단위체는 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 가지며, 따라서, 본 발명의 필름은 이러한 구조로 인해 기계적 특성, 특히 인장 강도, 파괴 변형도 및 인성이 현저히 향상될 수 있다.
또한, 상기 맥신-잔탄 단위체는 우수한 분산 안정성과 높은 전기 전도성을 나타내는데, 이는 맥신(MXene)과 잔탄 사이의 강력한 계면 상호 작용과 매우 낮은 고분자 농도에서도 발생하는 잔탄 고분자의 안정화 기능 때문이다.
일 실시예에서, 높은 전기 전도성을 나타내기 위해서, 상기 맥신(MXene)의 측면 크기는 1 내지 5 ㎛ 인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 맥신(MXene)은 표면 작용기로 O, F, OH를 포함할 수 있으며, 이러한 표면 작용기는 또한 용매에서 맥신(MXene) 분산을 안정화하고, 맥신(MXene)과 잔탄의 계면 상호 작용을 향상시키는 역할을 한다.
일 실시예에서, 상기 맥신(MXene)의 표면 작용기와 잔탄(Xanthan)은 수소 결합하여 계면 상호 작용을 형성할 수 있다. 즉, 잔탄은 풍부한 산소를 보유하고 있으며, 맥신(MXene)은 표면 작용기로 O, F, OH를 포함하고 있기에, 상기 표면 작용기와 잔탄은 서로 수소 결합하여 강력한 계면 상호 작용을 형성할 수 있다.
한편, 상기 필름은 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 맥신(MXene)이 50wt% 미만으로 포함되는 경우, 전기 전도도가 매우 낮은 현상이 발생하게 된다.
한편, 상기 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 경우, 상기 필름은 80 내지 130 MPa 의 인장강도를 가져 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 65wt% 이하로 포함되는 경우, 상기 필름은 2.36 내지 5.13 MJ/m3의 인성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 경우, 상기 필름은 1.80 × 102 내지 3.61 × 105 의 전기 전도도 및 24 dB 이상의 전자파 간섭 차폐 효율(EMI shielding effectiveness)을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 필름의 두께는 15 ㎛ 미만인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 것처럼, 본 발명의 맥신 기반의 나노복합재 필름은 나크레(Nacre)의 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 미세 구조를 모사한 구조로 인해, 전자파 간섭 차폐(EMI) 효율이 우수하면서도 전기 전도도, 인장 강도, 파괴 변형도 및 인성 등이 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 필름은 맥신의 큰 측면 크기와 잔탄 고분자의 낮은 함유량으로 인해 맥신의 뛰어난 고유 전기 전도도를 보존할 수 있다.
또한, 맥신과 잔탄 바인더 사이의 강력한 계면 상호 작용을 통한 브릭-앤-모르타르 구조는 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있다.
아울러, 잔탄 폴리머의 안정화 기능으로 인한 강력한 맥신과의 계면 상호 작용은 나노 복합재 필름에서 맥신이 잘 분산될 수 있도록 하고, 균일하게 분포할 수 있도록 하여 필름의 기계적 및 전기적 특성이 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 필름은 전자파 간섭(EMI) 차폐 성능이 우수하며, 높은 에너지 전달 효율과 열 안정성 특성으로 인해 줄(Joul) 난방 장치에 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 맥신 기반의 나노복합재 필름 제조 방법은 맥신(MXene)을 포함하는 제1 용액 및 잔탄(Xanthan)을 포함하는 제2 용액을 혼합하는 단계(S110), 혼합 용액을 멤브레인 필터로 진공 여과시키는 단계(S120), 및 여과 후 생성된 막을 건조시키는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
먼저 맥신(MXene)을 포함하는 제1 용액 및 잔탄(Xanthan)을 포함하는 제2 용액을 혼합하는 단계(S110)를 진행한다.
일 실시예에서, 상기 S110 단계에서 제1 용액 및 제2 용액은 1 : 0.25 내지 1 의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나는 경우, 잔탄이 바인더로써 역할을 못하여 낮은 기계적 물성(제1 용액 : 제2 용액 = 1 : 0.25 미만(v/v))을 야기하거나, 낮은 전기전도성(제1 용액 : 제2 용액 = 1 : 1 초과(v/v))을 야기한다.
또한, 상기 S110 단계는 1 내지 3 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 1 시간 미만으로 수행하는 경우, 완전한 혼합이 이루어지지 않고, 3 시간을 초과하는 경우에는 시간 효율적이지 않은 문제점이 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 용액은 MILD(minimally tensive layer delamination) 방법을 기반으로 합성된 맥신(MXene)의 현탁액을 사용할 수 있다.
다음으로, 혼합 용액을 멤브레인 필터로 진공 여과시키는 단계(S120)를 진행한다.
일 실시예에서, 상기 진공 여과를 통해 맥신-잔탄 단위체가 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 갖는 막이 형성되게 된다.
이후, 여과 후 생성된 막을 건조시키는 단계(S130)를 수행한다. 이때, 상기 건조는 10 내지 35℃ 의 온도, 바람직하게는 상온에서 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 막을 멤브레인 필터로부터 분리하여, 필름으로 이용할 수 있다.
상기 방법으로 제조된 맥신 기반의 나노복합재 필름은 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하고, 상기 맥신-잔탄 단위체가 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 맥신 기반의 나노복합재 필름은 80 내지 130 MPa 의 인장강도, 1.80 × 102 내지 3.61 × 105 S/m 의 전기 전도도 및 24 dB 이상의 전자파 간섭 차폐 효율(EMI shielding effectiveness)을 갖는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.
1. 맥신(MXene) 합성
Ti3C2Tx 맥신(MXene)은 MILD(minimally tensive layer delamination) 방법을 기반으로 합성되었다. (도 2 참조)
먼저, LiF 분말 1.6g을 실온에서 교반하면서 12M HCl에 용해시켜 식각 용액을 얻었다. 그 다음, 1g의 Ti3AlC2 를 격렬하게 교반하면서 상기 식각 용액에 천천히 첨가하고, 실온에서 24 시간 동안 연속 반응시켰다.
이후, 생성된 산성 생성물을 상층액이 약 pH 6 에 도달할 때까지 4,000 rpm에서 5분 동안 원심 분리하고 탈이온수(DIW)로 세척하였다. 침전물은 미반응 MAX 상과 다층 맥신 클레이(multilayer MXene clay)의 혼합물이었다.
다층 맥신 클레이(multilayer MXene clay)를 박리하고 미반응 MAX 상을 분리하기 위해 30ml 탈이온수(DIW)를 침전물에 첨가한 다음 5 분 동안 볼텍싱(vortex shaking)시켰다. 이후, 재분산된 생성물을 3,500 rpm에서 5 분간 원심 분리하여 상층액을 수집한 후 박리된 MXene 현탁액을 얻었다. 바람직하지 않은 산화를 방지하기 위해, 박리된 MXene 현탁액을 Ar 분위기의 냉장실에 보관하였다.
2. 맥신-잔탄((MXene-xanthan) 나노복합재 필름의 제조
Ti3C2Tx MXene 현탁액을 0.03 wt%의 농도로 정제수로 희석하였다. 한편, 잔탄 용액(0.03 wt%)은 80 ℃에서 6 시간 동안 연속 교반 하에 정제수에 잔탄 분말을 0.03wt% 의 농도로 용해시켜 제조하였다.
다음으로, 희석된 MXene 현탁액을 2 시간 동안 교반하면서 잔탄 용액과 혼합한 다음, 혼합물을 친수성 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 필터로 진공 여과하였다. 이후, 여과된 막을 실온에서 건조시킨 후, 추가 실험을 위해 PVDF 필터에서 분리하여 맥신-잔탄 나노복합재 필름을 얻었다.
맥신(MXene) 현탁액과 잔탄 용액의 부피비(V M / V X)에 따라 맥신- 잔탄 나노복합재 필름은 MXF1, MXF2, MXF3, MXF4 및 MXF5로 표시하였으며, 맥신 현탁액 및 잔탄 용액의 부피비(V M / V X)는 순서대로 각각 1 : 0, 1 : 0.25, 1 : 0.5, 1 : 0.75 및 1 : 1 이다.
상기 필름에서, 맥신(MXene)의 상응하는 중량 로딩 분율은 MXF1에서 MXF5까지 각각 100, 80, 66.67, 57.14 및 50 wt% 로 측정되었다.
한편, 비교예로, 잔탄 용액을 유리 페트리 접시에 드롭 캐스팅하여 깔끔한 잔탄 필름(XF)을 제조하였다.
맥신(MXene) 특성
실시예에서, Ti3AlC2 MAX 상에서 Al을 선택적으로 에칭하여, Ti3C2Tx 맥신(MXene)을 합성하였다. Ti3AlC2 MAX 상에서 Ti3C2Tx 맥신(MXene)으로의 구조적 전환은 XRD 패턴으로 확인할 수 있다. (도 3a)
도 3a를 보면, JCPDS No. 52-0875 에 기재된 Ti3AlC2 MAX 전구체의 피크와 비교할 때, (002) 피크는 MAX의 경우 9.72 °에서 맥신(MXene)의 경우 6.18 °로 이동하여 에칭 공정에 의한 Al 층 제거 및 표면 작용기의 도입으로 인해 층간 거리가 증가했음을 나타낸다.
또한, XRD 패턴에서 MAX 상의 다른 특징적인 피크가 사라진 것으로 보아, Ti3C2Tx 맥신(MXene)의 성공적인 형성을 확인할 수 있다.
한편, 상기 맥신(MXene) 필름의 Al 함량은 0.1 % 미만으로 나타났으며, 이는 MILD 방식에 의한 Al층 에칭의 높은 효율성을 나타낸다.
실시예에 따라 제조된 Ti3C2Tx 맥신(MXene)의 화학적 조성은 Ti 2p, C 1s, O 1s 및 F 1s의 고분해능 XPS 분석으로 추가로 분석되었다 (도 3b).
디콘볼루션(deconvoluted) 결과는 맥신(MXene) 시트 표면에 세가지 작용기(O, F, OH)가 성공적으로 형성되었음을 나타낸다. 이러한 맥신(MXene) 표면의 말단 작용기는 용매에서 맥신(MXene) 분산을 안정화하고, 맥신(MXene)과 잔탄 중합체 간의 계면 상호 작용을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다.
결과적으로 Ti3C2Tx 맥신(MXene) 현탁액은 물에서 짙은 녹색으로 강한 Tyndall 효과로 관찰되며(도 3c의 삽입 이미지), 맥신(MXene) 시트의 풍부한 표면 작용기에 의해 증류수에 맥신(MXene)이 잘 분산되어 있음을 나타낸다.
한편, 결정 구조와 화학 성분을 파악한 후, 합성된 2D 맥신(MXene) 시트의 치수를 추가로 확인하고, 그 결과를 도 3c에 나타냈다.
도 3c를 참조하면, 267 nm, 309 nm 및 740 nm에서 3개의 흡광도 피크가 관찰되었으며, 309 nm 에서의 흡광도는 267 nm 에서의 흡광도보다 약간 높게 나타났고, 이는 MILD 방법으로 합성된 MXene 시트의 큰 측면 크기를 나타낸다.
도 3d-f는 MXene 시트의 SEM 및 AFM 분석 결과를 나타낸 이미지이다.
알루미나 기반 멤브레인(도 3d)에 수집된 MXene 시트의 SEM 이미지는 반투명하게 나타났으며, 이는 MXene 시트의 다층 구조와 MAX 분말 상의 성공적인 박리를 나타낸다. 또한, MXene 시트의 측면 크기는 1 ~ 5 μm 범위로 측정되었다.
이러한, MXene 시트의 크기는 AFM 이미지(도 3e)와 도 3e에 표시된 라인 1의 해당 프로필 데이터(도 3f)로도 확인할 수 있다. SEM 이미지와 유사하게, 합성된 MXene 시트는 큰 측면 크기를 갖는 것을 알 수 있고, 이러한 큰 측면 크기는 MXene 기반 나노 복합재 필름의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다.
한편, 라인 1에서 MXene 시트의 평균 높이는 약 3 nm 로, 실시예에서 합성된 맥신(MXene) 시트의 이중층 구조를 나타낸다.
맥신-잔탄(MXene-xanthan) 나노복합재 필름 특성
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 맥신 기반 나노 복합재 필름들의 SEM 이미지이다.
도 4에 나타나듯이, 층상 미세 구조는 MXene 필름(MXF1, a) 및 맥신-잔탄(MXene-xanthan) 나노복합재 필름(b-e) 모두 발견되었다. 그러나, 이러한 바람직한 층상 미세 구조는 잔탄 필름(비교예, f)에서는 나타나지 않았다.
이러한 결과는 2D 구조화된 맥신(MXene) 시트가 진공 여과 공정 동안 구조체의 벽돌(brick) 역할로서 층상 미세 구조의 형성에 중요한 역할을 하는 것을 나타낸다.
또한, 잔탄 분자가 삽입된 맥신(MXene) 시트의 시너지 효과는 나크레(nacre)의 미세 층 구조에서 모방된 고도로 정렬된 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar)와 같은 구조를 형성할 수 있다.
구체적으로, 도 4를 보면, MXF1의 경우 일부 MXene 시트가 필름 표면에서 관찰될 수 있다. 잔탄(xanthan) 폴리머를 추가하면 맥신(MXene) 시트가 폴리머 매트릭스 내에 포함되어 맥신(MXene) 시트가 필름 표면에서 거의 보이지 않는데, 이는 맥신(MXene) 시트와 잔탄 폴리머 간의 강력한 계면 상호 작용에 기인한다.
또한, 필름의 두께는 도 5a를 보면, 잔탄 함량의 증가에 따라, 점차적으로 증가하는 것으로 나타났으며, 본 발명의 맥신(MXene) 기반 나노복합재 필름의 두께는 15 μm 미만으로, 초박형 특성을 나타냈다.
한편, MXF1 의 전기 전도도는 3.61 × 105 S/m 로 측정되었고, 맥신-잔탄(MXene-xanthan) 나노복합재 필름의 전기 전도도는 MXF1 에서 MXF5 로 감소하는 것으로 측정(187.27±6.62 ~ 361065.64±2083.98 S/m)되었으나, 동일한 중량 분율을 가진 이전에 보고된 대부분의 맥신(MXene) 기반 필름보다 높은 값을 나타냈다.
이는 본 발명의 맥신(MXene) 시트가 큰 측면 크기를 가지며, 강한 계면 상호 작용과 잔탄 폴리머의 안정화 기능으로 인해 복합 필름 내부에 맥신(MXene) 시트가 균일하게 분포되어 있기 때문이다.
도 5b는 MXene 기반 나노복합재 필름의 XPS 분석 스펙트럼 결과를 나타낸다. 여기서 MXF1 및 MXF3 는 대표적인 실시예로 평가되었다.
먼저, MXF1은 Ti, C, O, F의 특징적인 피크와 소량의 Cl이 관찰되었다. Ti, C 및 O 의 비율은 MXF1의 경우 53 : 33 : 14 에서 MXF3의 경우 10 : 51 : 39 로 변경되었다. MXF3의 현저하게 증가된 탄소 및 산소 함량은 풍부한 산소 함유 작용기를 가진 잔탄 중합체와의 결합에 기인한다.
또한 MXF1과 비교하여 MXF3의 289.2 eV 에서 새로운 피크는 잔탄 분자의 -COOH 에 기인하며, 이는 맥신(MXene) 잔탄 나노복합재 필름에 잔탄 폴리머가 성공적으로 통합되었음을 나타낸다.
MXene 기반 나노복합재 필름과 잔탄 폴리머의 XRD 패턴은 구조 분석을 위해 추가로 조사되었다. (도 5c)
도 5c에 도시된 바와 같이, XRD 패턴은 약 25°에서 넓고 약한 피크를 기준으로 잔탄의 비정질 구조를 나타냈다. 또한, MXene 기반 나노 복합재 필름의 경우 (002) 피크는 필름의 잔탄 함량이 증가함에 따라 MXF1의 경우 6.18 °에서 MXF5의 경우 5.44 °로 점차적으로 이동한 것을 볼 수 있다.
이러한 변화는 잔탄 함량 증가로 인해 맥신(MXene) 시트 사이의 층간 거리가 증가한 결과일 수 있으며, 이는 잔탄 분자가 맥신(MXene) 시트에 성공적으로 삽입되었음을 나타낸다.
피크 위치의 좌측 이동 외에도, 비정질 잔탄 폴리머와의 결합으로 인해 피크의 강도는 MXF1 에서 MXF5 로 갈수록 점차 감소하였다.
도 5d는 맥신-잔탄(MXene-xanthan) 나노복합재 필름과 잔탄 폴리머의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다.
도 5d를 보면, MXF1의 경우 맥신(MXene) 표면의 Ti-O 결합 및 O-H 결합에 각각 해당하는 644 및 3728 cm-1에 위치한 두 개의 흡수 밴드가 나타난다. 잔탄 폴리머의 경우, 3439, 1603, 1050 cm-1 에서 특징적인 흡수 밴드는 각각 O-H 스트레칭, C=O 스트레칭 및 C-O 스트레칭에 기인한다.
맥신(MXene)과 혼합된 후, C=O 스트레칭 및 C-O 스트레칭은 맥신-잔탄(MXene-xanthan) 나노복합재 필름에서도 관찰될 수 있으며, 복합재 필름에 잔탄 폴리머의 효과적인 도입을 보여준다.
맥신-잔탄 나노복합재 필름의 기계적 특성
도 6a-6c는 필름의 기계적 특성(인장 강도, 영률, 파괴 변형률, 인성)을 나타낸다.
도 6a 및 b에서 볼 수 있듯이, 인장 강도는 MXF1의 경우 60.85±5.74 MPa에서 MXF5의 경우 121.09±7.96 MPa로 증가하며 MXF5의 인장 강도 값은 MXF1 필름의 값보다 ~2배 더 큰 값을 나타냈다.
영률(Young's modulus)의 경우, 모듈러스(Modulus)는 MXF1에서 MXF3으로 증가하지만, MXF4 및 MXF5에서는 감소하는 것으로 나타났다. 가장 큰 값은 MXF3(10.80±0.72 GPa)에서 측정되며, 이는 MXF1 필름(5.73±0.68 GPa)보다 약 2배 더 높다.
향상된 인장 강도 및 영률 외에도 또 다른 중요한 발견은 잔탄 함량이 증가함에 따라 파괴 변형률(failure strain)과 인성(toughness)(0.84 ± 0.17 ~ 4.43 ± 0.70 MJ/m3)이 MXF1에서 MXF5로 현저하게 향상된다는 것이다. (도 6c)
MXF5에 대해 측정된 파괴 변형률과 인성은 MXF1 필름보다 각각 6.4 배 및 12.7 배 더 큰 값으로 측정되었다. 따라서, 이러한 실험 결과는 잔탄 폴리머를 2D 맥신(MXene) 시트에 통합하면 맥신(MXene) 기반 나노복합재 필름의 기계적 특성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.
브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조로 인한 본 발명의 맥신 기반 나노복합재 필름의 기계적 특성 강화 효과의 기본 메커니즘을 이해하기 위해, MXF1 및 MXF3의 파단면의 단면 SEM 이미지를 확인하고, 각각 도 6d 및 6e에 도시하였다.
도 6d를 보면, MXF1은 인장 변형 후, 파단면에 많은 층간 공석이 있음을 확인할 수 있다. 빈자리는 순수한 맥신(MXene) 시트 사이의 약한 계면 상호 작용으로 인한 것으로, 이는 변형 하에서 기계적 특성이 불충분한 요인으로 작용한다.
반면, MXF3의 경우, 맥신(MXene)층이 고도로 정렬되어 있으며, 뚜렷한 공석이 거의 없이 밀착되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 맥신-잔탄 나노 복합재 필름의 파단 표면은 MXF1 필름에 비해 더 구불구불한 지그재그 균열 구조로 관찰된다.
MXene-잔탄 나노 복합재 필름의 고도로 정렬된 미세 구조는 맥신 시트와 잔탄 폴리머 사이의 강한 계면 강도에 기인한다. 생체 적합성 모르타르 또는 접착제 역할을 하는 잔탄 폴리머의 풍부한 산소는 맥신(MXene) 시트의 표면 작용기와 수소 결합을 형성하여 두 구성 물질 사이에 강력한 계면 상호 작용을 일으킬 수 있다.
따라서, 신축시 강한 계면 상호 작용을 가진 잔탄 접착제는 더 나은 응력 전달과 추가 마찰 에너지 소산을 제공하여 맥신(MXene)이 서로 미끄러지는 것을 견디도록 해준다. 더욱이, 균열 편향에서 생성된 지그재그 균열 구조는 균열 전파를 방지하기 위해 추가 저항을 제공할 수 있다.
따라서 나크레(Nacre)에서 영감을 얻은 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조와 맥신(MXene) 시트와 잔탄 분자 간의 강력한 계면 상호 작용의 이점을 통해, 맥신-잔탄 나노복합재 필름은 잔탄을 포함하지 않는 MXene 필름에 비해 인장 변형 하에서 크게 향상된 파괴 변형률 및 인성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 맥신-잔탄 나노 복합재 필름은 동일한 진공 보조 필터로 제조된 이전에 보고된 대부분의 맥신(MXene) 기반 필름과 비교할 때, 높은 전기 전도도와 여전히 충분한 인장 강도를 나타낸다. (도 6f 참조)
PVA 또는 키토산과 같은 다른 고분자 필름과는 달리, 본 발명의 맥신-잔탄 나노 복합재 필름의 우수한 전기적 및 기계적 특성은 맥신(MXene)의 탁월한 재료 특성과 잔탄의 최고의 특성과 함께 생물 영감을 받은 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 층상 미세 구조를 통해 구현될 수 있다.
본 발명의 맥신(MXene)의 큰 측면 크기는 뛰어난 고유 전기 전도도를 제공할 수 있으며, 잔탄 폴리머의 고유한 안정화 기능은 분산 안정성을 극적으로 개선하여 맥신(MXene)의 바람직하지 않은 응집을 방지한다.
결과적으로, 낮은 잔탄 함량을 가진 고분자 매트릭스에 맥신(MXene) 시트가 균일하고 잘 분산된 맥신-잔탄(MXene-xanthan) 필름을 제공할 수 있으며, 복합재의 맥신(MXene)의 뛰어난 고유 전기 전도도를 활용하며, 기계적 특성 또한 개선할 수 있다.
맥신-잔탄 나노복합재 필름의 EMI 차폐 특성
EMI 차폐 성능을 평가하기 위해, 먼저 필름의 EMI 차폐 효과(EMI SE)를 네트워크 분석기로 X 대역에서 S 매개 변수(Sij, S11, S21, S22 및 S12 포함)를 측정하였다. Sij 는 포트 i의 출력 신호와 포트 j의 입력 신호의 비율을 나타낸다. 전자기파가 차폐 장치에 입사되면, 다음 식 1과 같이 S 매개 변수를 사용하여 반사전력 계수(R), 투과율(T) 및 흡수율(A)을 계산할 수 있다.
[식 1]
Figure 112021005522607-pat00001
총 EMI SE(SET)는 전송된 전력(PT)에 대한 입사 전력(PI)의 대수 비율로 정의된다. 따라서 SET는 다음 식 2와 같이 계산될 수 있다.
[식 2]
Figure 112021005522607-pat00002
도 7a는 X 대역의 주파수 함수로서 필름의 총 EMI SE(EMI shielding effectiveness)를 나타낸다.
EMI SE 값은 잔탄 함량이 증가함에 따라 복합재 필름의 전기 전도도가 감소하기 때문에, 동일한 주파수에서 MXF1 에서 MXF5 로 감소하였다. 구체적으로, 가장 큰 EMI SE 값은 MXF1에서 MXF5로 각각 63.6, 48.0, 34.1, 30.6 및 24.6 dB 로 감소하는 것으로 관찰되었다. 비교예인 잔탄 필름(XF)은 SET 값이 약 0 으로, EMI 차폐 특성을 나타내지 않았다.
측정된 EMI SE 값을 사용하여 차폐 효율(EMI shielding efficiency)(%)을 하기 식 3에 따라 계산하였다.
[식 3]
Figure 112021005522607-pat00003
MXF1에서 MXF5로 EMI SE 값의 감소가 관찰되었음에도 불구하고, MXF5의 차폐 효율은 99.65 % 로 높게 나타났으며, 본 발명의 나노복합재 필름은 모든 실시예에서 우수한 EMI 차폐 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 7b는 전체 차폐 효과에 대한 흡수 및 반사의 기여도를 나타낸다.
총 EMI SE(SET)는 전자파의 흡수(SEA), 반사(SER) 및 다중 내부 반사 (SEM)로 구성되며, 여기서 다중 내부 반사는 높은 SET 값의 경우(SET > 15) 흡수로 병할될 수 있다. 따라서, 전자파의 흡수(SEA), 반사(SER) 및 다중 내부 반사(SEM) 값은 하기 식 4에 따라 계산될 수 있다.
[식 4]
Figure 112021005522607-pat00004
도 7b는 측정된 X 밴드의 평균 SER, SEA 및 SET 값을 분석한 결과를 나타낸다.
도 7b를 보면, 모든 SEA 값은 나노 복합재 필름의 맥신 함량에 관계없이 SER 값보다 크게 나타났다. 예를 들어 MXF1의 SEA 값은 MXF1의 SER 값(14.1 ± 1.35dB)보다 약 2.5 배 더 큰 34.7 ± 3.97dB 로 측정되었다.
더 큰 SEA 값 및 상대적으로 낮은 SER 값은 반사에 비해 전체 EMI 차폐 효과에 대해 흡수가 더 많은 기여를 하며, 본 발명의 맥신-잔탄 나노 복합재 필름은 흡수 지배적인 EMI 차폐 메커니즘을 나타내는 것을 의미한다.
맥신-잔탄 나노복합재 필름에 의한 EMI 차폐의 자세한 메커니즘은 도 7c에 도시하였다.
도 7c를 보면, 전자기파가 필름 표면에 부딪히면 필름 표면과 전자기파 사이의 상대적 임피던스 불일치로 인해 일부 전자기파가 반사되며, 입사 전자기파에 의해 유도된 맥신(MXene) 시트의 표면 종단의 쌍극자 분극도 전체 EMI 차폐 성능에 기여한다.
또한, 맥신(MXene) 격자 구조를 통과하는 나머지 파동은 맥신(MXene)층과 상호 작용하여 전도성이 높은 맥신(MXene) 시트에 전류를 유도하여 전자기파를 상쇄시켜 전자기파의 에너지 강하를 초래하게 된다.
첫 번째 맥신(MXene) 격자 구조를 통과하는 전자기파의 경우, 전자기파가 구조에서 흡수되고 사라질 때까지 두 개의 맥신(MXene)층 사이에서 전자기파가 앞뒤로 반사될 때 다중 내부 반사가 발생한다.
또한, 본 발명의 필름은 나크레(Nacre)에서 영감을 받은 brick-and-mortar 층상 미세 구조로 인해 EMI 차폐에 큰 이점이 있으며, 이는 MXene 기반 필름에 다중 레벨 차폐 역할을 하는 추가 기능을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 뛰어난 전기 전도성과 고도로 정렬된 층상 미세 구조를 결합한 맥신-잔탄 나노 복합재 필름은 우수한 EMI 차폐 성능을 나타낼 수 있다.
한편, 밀도를 고려하여 EMI SE를 비교하기 위해 차폐 재료의 특정 차폐 효과(SSE)를 다음 식 5로 계산하였다.
[식 5]
Figure 112021005522607-pat00005
또한, 두께를 고려하여 절대 차폐 효과를 평가하기 위해 차폐 재료의 SSE/t 를 다음 식 6으로 계산하였다.
[식 6]
Figure 112021005522607-pat00006
도 7d는 본 발명의 맥신 기반 나노 복합체 필름과 이전에 보고된 EMI 차폐 재료(MXene, 금속, 탄소 기반 고체 또는 폼 구조 포함)의 두께 함수로서 SSE/t 값을 비교한 것이다.
도 7d를 보면, 본 발명의 맥신-잔탄 나노 복합재 필름(MXF1 ~ MXF3)은 초박막 두께와 매우 높은 SSE/t 값(각각 순서대로, 40,527, 24,464.8 및 14,490.1 dB cm2/g)으로, 이전에 보고된 재료 중에서도 높은 차폐 성능을 나타낸다.
맥신-잔탄 나노복합재 필름의 줄(Joul) 가열 성능
도 8a는 3V 전압을 온/오프한 상태에서, MXF3의 적외선 열 이미지를 나타낸 것이다.
도 8a를 보면, 전압을 온/오프한 후 표면 온도가 상승하는 것을 관찰할 수 있으며, 3V 이하에서 MXF3의 평형 온도는 56.2 ℃로 측정되었다. 또한, 적외선 열화상 이미지에서 볼 수 있듯이, 필름은 극도로 균일한 온도 분포를 나타냈다.
맥신-잔탄 나노 복합재 필름의 균일한 온도 분포는 MXene 시트와 잔탄 분자 사이의 강한 계면 상호 작용뿐만 아니라, 잔탄 폴리머의 안정화 기능에 기인하여 폴리머 매트릭스 내부에 맥신 시트가 균일하게 분산되어 있기 때문이다.
또한, 맥신-잔탄 나노복합재 필름의 가열 능력을 확인하기 위해, 직경 14.9mm의 바이알에 필름을 부착하고 물을 채운 후 굽힘 변형시 MXF3의 가열 성능을 측정하였다.
도 8b에 나타나듯이, 나노 복합재 필름은 굽힘 조건(곡률 = 0.13 mm-1)에서도 최대 온도 약 50 ℃에서 효율적으로 물을 가열시킬 수 있어, 나노 복합재 필름의 뛰어난 유연성과 높은 에너지 효율을 확인할 수 있다.
한편, 도 8c는 입력 전압의 함수로서 맥신-잔탄 나노복합재 필름의 평형 온도를 나타낸다.
도 8c를 보면, 각 맥신 기반 필름에 대한 입력 전압이 증가함에 따라 평형 온도가 증가하는 것으로 관찰되었다. 예를 들어, MXF3의 평형 온도는 1V ~ 4V의 입력 전압에서 각각 29.8, 38.4, 58.4 및 105.1 ℃로 측정되었다.
입력 전압의 영향 외에도, 평형 온도는 맥신-잔탄 필름의 전기 전도도에 따라 달라지는 특성을 보였다.
3V의 입력 전압에서 평형 온도는 MXF1에서 MXF5까지 각각 136.5, 94.5, 58.4, 33.6 및 32.8 ℃로 관찰되었다. MXF1(136.5 ℃, 3V)의 평형 온도는 동일한 전압에서 이전에 보고된 MXene 기반 직물 히터(57 ℃, 3V)보다 훨씬 높은 값을 나타냈다.
평형 온도 (Tequ)의 차이는 다음 식 7으로 설명할 수 있다.
[식 7]
Figure 112021005522607-pat00007
상기 식 7에서, To, U, R, A 및 h 는 각각 히터 장치의 시작 온도, 입력 전압, 저항, 표면적 및 총 열 전달 계수를 나타낸다.
평형 온도는 각 맥신-잔탄 나노 복합재 필름에 대한 입력 작동 전압이 증가함에 따라 증가하는 반면, MXF1에서 MXF5로 증가된 전기 저항으로 인해 동일한 입력 전압에서 MXF1에서 MXF5로 감소하였다.
한편, 에너지 변환 효율을 추가로 평가하기 위해 전력 밀도(P)를 다음 식 8과 같이 계산하였다.
[식 8]
Figure 112021005522607-pat00008
식 8에서, I는 히터 장치의 전류를 나타낸다.
도 8d는 전력 밀도의 함수로서 맥신-잔탄 나노 복합재 필름의 평형 온도를 보여준다. 에너지 변환 효율을 추정하기 위해 온도 전력 밀도 (W cm -2℃-1) 곡선의 역 기울기 값을 계산하였다. 역 기울기 값이 작을수록 온도를 높이는데 더 적은 에너지가 필요함을 나타내므로 더 높은 에너지 변환 효율을 나타낸다.
도 8d를 보면, 동일한 전압에서 MXF1에서 MXF5로 평형 온도가 감소 했음에도 불구하고, 역 기울기 값은 MXF1(W cm -2℃-1)에서 MXF5 (0.0016 W cm -2℃-1)로 급격히 감소하는 것으로 관찰되었다. 이는 줄 가열 하에서 MXF1에서 MXF5로 크게 증가된 에너지 변환 효율을 나타내는 결과이다.
에너지 변환 효율 외에도, 72시간 연속 가열 하에서 필름의 열적 안정성을 조사하기 위해, 주변 환경(실온 22-25 ℃, 상대 습도 30-40 %)에서 MXF1 및 맥신-잔탄 나노 복합재 필름(MXF3)의 열적 안정성을 조사하였다. 고온에서 필름의 안정성을 확인하기 위해 초기 평형 온도를 100 ℃ 이상으로 제어하였다.
도 8e에서 볼 수 있듯이, MXF1의 표면 온도는 특히 22 시간 동안 가열한 후 상당한 변동으로 관찰되었고, 최고 온도와 최저 온도의 차이는 최고 47.45 ℃로 계산되어 고온에서 연속 가열 하에서 MXF1의 열 안정성이 불충분함을 보였다.
반면, MXF3은 MXF1에 비해 변동이 적고 열 안정성이 훨씬 더 우수하였다. 최고 온도와 최저 온도의 차이는 11.14 ℃로 계산되어 고온에서 연속 가열 하에서 맥신-잔탄 나노 복합 필름의 열 안정성이 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.
향상된 안정성은, 맥신-잔탄 나노 복합체 필름의 고도로 정렬된 미세 구조에 기인하며, MXF1 필름의 경우 층간 공극은 주변 환경의 물 분자가 맥신(MXene) 격자 구조로 침투 및 흡수 될 수 있도록 하며, 이것은 전기 전도도를 감소시켜 평형 온도를 감소시키게 된다.
그러나, 잔탄-나노 복합재 필름의 고도로 정렬되고 밀집된 미세 구조는 물 분자의 침투 및 흡수를 방지하므로, 맥신-잔탄 나노 복합재 필름은 높은 전기 전도도를 유지하고 연속 가열에서 우수한 열 안정성을 나타낼 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 잔탄(Xanthan)이 맥신(MXene)을 둘러싸도록 형성된 맥신-잔탄 단위체를 포함하는 나노복합재 필름으로써,
    상기 맥신(MXene)의 표면 작용기와 잔탄(Xanthan)은 수소 결합하여 계면 상호 작용을 형성하고,
    상기 맥신-잔탄 단위체는 지그재그의 층상 구조로 형성되어 브릭-앤-모르타르(brick-and-mortar) 구조를 가지며,
    상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 100wt% 미만으로 포함되는 경우,
    상기 필름은 80 내지 130 MPa 의 인장강도, 1.80 × 102 내지 3.61 × 105 S/m 의 전기 전도도 및 24 dB 이상의 전자파 간섭 차폐 효율(EMI shielding effectiveness)을 갖는 것을 특징으로 하는,
    맥신 기반의 나노복합재 필름.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 맥신(MXene)의 측면 크기는 1 내지 5 μm 인 것을 특징으로 하는,
    맥신 기반의 나노복합재 필름.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노복합재 필름 전체 중량 대비, 맥신(MXene)이 50wt% 이상 65wt% 이하로 포함되는 경우,
    상기 필름은 2.36 내지 5.13 MJ/m3의 인성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    맥신 기반의 나노복합재 필름.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 필름의 두께는 15 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는,
    맥신 기반의 나노복합재 필름.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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