2 dimensional (2D) materials have unique properties including strong mechanical strength, flexibility, large surface area compared to bulk counterpart. Among 2D materials, 2D transition metal carbides/nitrides MXenes have drawn big research interests owing to their extraordinary electrical properties, and hydrophillicity utilized in energy storage, and electromagnetic interference (EMI) shielding. However, pristine 2D materials are hard to meet specific demands for different applications. Physical properties including surface energy, electronic energy level, surface reactivity need to be tuned via surface modifications.
In this dissertation, interlayer adhesion, and surface functionalization are introduced to 2D materials to develop surface modified 2D materials for functional devices. Initially, mussel-inspired nanoadhesives are applied to 2D MXenes to yield oxidant-resistant, highly aligned MXene film as an EMI shielding materials. The nanoadhesives can also attach MXene to 3D substrate to develop stable pressure sensor with dual-mode acquisition of pressure, and strain, enabled by strong EMI shielding properties of MXenes.
Secondly, a covalent-noncovalent two-step functionalization is applied to 2D materials. This functionalization enables an heterostacked structure of electronically distinct two 2D materials, MXene and graphene oxide, for EMI shields with promoted internal scattering. Furthermore, a hierarchically porous MXene structure can be achieved through similar functionalization strategy which could suppress ‘shuttling effect’ of polysulfide in lithium sulfur battery.
2차원 소재는 기존 3차원 격자구조를 가지는 벌크 물질과 다르게 강한 기계적 강도, 유연성, 넓은 비표면적 등 독특한 물성을 가져 주목을 받아왔다. 그 중에서도 2차원 전이금속 탄화물/질화물인 맥신은 높은 전기전도도와 친수성 표면을 가져 각광을 받고 있고, 에너지 저장소자, 전자파 차폐 소자 등으로 응용되고 있다. 하지만 이러한 우수한 물성을 다양한 응용 분야에 활용하여 고부가가치를 갖게 하기위해서는 합성된 2차원 소재를 그대로 사용하기보다는 기존 재료와의 우수한 상호작용을 유도하고, 적합한 물성이 발현되도록 해야 한다. 여러 가지 방법 중 대표적으로 2차원 소재에 표면 개질 방법을 적용하여 이러한 목적을 달성할 수 있다.
본 학위 논문에서는 2차원 소재에 계면 접착 조절, 기능기화 등의 표면 개질 방법을 적용하여 맞춤형 표면 개질된 2차원 소재를 개발하고 이를 기능성 소자로 응용하였다. 먼저, 2차원 소재 맥신에 홍합 유래 나노 접착제를 적용하여 산화에 대해 저항성을 가지는 고배열성 맥신 필름을 개발하고 이를 전자파 차폐 소재로 활용하였다. 또한, 동일한 나노 접착제를 3차원 기판의 표면에 맥신을 부착하는데 적용하여 안정성이 향상된 압력 센서 소자를 제작하였고, 맥신의 우수한 전자파 차폐 물성을 통해 압력과 인장을 동시에 감지할 수 있는 무선 센서 소자를 개발하였다.
다음으로, 공유결합 기반, 비공유결합 기반의 단계적 기능기화를 통해 전기적으로 다른 성질을 띄는 맥신과 그래핀 산화물을 조립하여 2차원 적층구조를 제작하고, 이를 내부 산란 효과가 증진된 전자파 차폐 재료로 응용하였다. 더 나아가, 유사한 단계적 기능기화를 적용하여 계층적 다공성 구조를 갖는 맥신 구조체를 제작하여 이를 리튬-황 전지에 삽입하여 다황화물의 셔틀링 효과를 방지하는데 응용하였다.
