1. 차세대 나노 소재, 맥신의 등장

맥신(MXene)은 2011년 미국 드렉셀 대학교(Drexel University) 연구진에 의해 처음 발견된 이후, 기존 '꿈의 소재'로 불리던 그래핀의 한계를 극복할 차세대 2차원 나노 물질로 큰 주목을 받고 있다. 맥신은 전이금속 탄화물 또는 질화물의 한 종류로, 화학식은 Mn+1Xn(M: 전이금속, X: 탄소 또는 질소) 구조를 가진다. 구조적으로는 층상 구조의 중심에 전이금속이 위치하고 그 사이에 탄소나 질소가 원자층 단위로 배열된 형태를 띤다.
 

맥신은 유연성, 투명성, 코팅/프린팅의 용이성, 매우 높은 고전기 전도성을 갖는다. 

금속과 같은 높은 전기 전도성을 가지면서도 표면에 수산화기(-OH) 등 기능기가 있어 물에 잘 섞이는 친수성을 동시에 가진다. 이는 유기 용매를 써야 했던 그래핀과 달리 수용액 공정이 가능하다는 혁신적인 장점을 제공한다.

2. 맥신을 만드는 '하향식' 공정

맥신은 'MAX Phase'라고 불리는 3원소 결정 구조에서 원하지 않는 층을 선택적으로 제거하는 하향식(Top-down) 방식으로 제조된다.

• 에칭(Etching): 주로 HF(불산)와 같은 강력한 산성 용액을 사용해 MAX 구조 중간에 있는 금속층(A층)을 선택적으로 녹여낸다.
• 박리(Exfoliation): 에칭 후 층간 결합력이 약해진 덩어리를 한 겹씩 떼어내면 비로소 얇은 2차원 시트 형태의 맥신이 탄생한다

3. 무엇이 문제인가? - 상용화의 걸림돌

학계의 찬사와 달리 산업계에서 맥신 도입을 주저했던 이유는 명확하다.

(1) 친수성 – 산소가 싫어요 
표면의 수산화기(-OH) 등은 공정상 이점을 주지만, 역설적으로 산소와 쉽게 반응하게 만든다. 수용액 상태나 공기 중에서 맥신은 급격히 산화되어 본연의 전도성을 잃고 세라믹(금속 산화물)으로 변해버리는 취약한 화학적 안정성을 보인다.
 

(2) 소수성 표면개질이 필수
따라서 맥신의 금속적 물성을 유지하면서 외부 환경으로부터 보호하기 위해서는 표면을 소수성으로 개질하거나 보호막을 씌우는 고도의 계면 제어 기술이 반드시 선행되어야 한다.
 

3. 맥신의 용도는 무엇인가?

맥신의 전도성과 친수성은 다양한 산업 분야에 적용 가능하다.

• 에너지 저장: 이차전지의 도전재나 전고체 배터리의 핵심 소재로 활용되어 충방전 속도를 높일 수 있다.
• EMI 차폐 및 안테나: 얇은 두께로도 강력한 전자파 차단 능력을 보여 차세대 통신 기기 및 전장 부품에 적합하다.
• 센서 및 수처리: 넓은 비표면적과 화학적 반응성을 이용해 초정밀 가스 센서나 이온 여과 막(Membrane)으로 활용된다.

기타 맥신의 전도성에 의해, 인쇄전자, 디스플레이, 커패시터, 가스센서, 태양전지, 촉매, 의약, 약물, 바이오센서 등에 대한 용도 특허들이 존재하는 상황이다.

4. 맥신의 원천특허는 존재하는가 - 실시할 수 있는가?

기업 고객들이 가장 우려하는 '특허 분쟁 리스크'에 대한 분석이다.

(1) 드렉셀 특허의 실체
맥신의 발견자인 드렉셀 대학교 연구진이 보유한 초기 특허들이 존재한다.

(2) 권리범위의 한계
그러나 면밀히 분석해 보면, 초기 원천특허의 권리범위가 '특정 유기리간드'와의 결합이나 매우 한정적인 제조 조건에 국한되어 등록된 경우가 많다. 즉, 맥신 조성 자체를 권리화하는데는 실패한 상황이다. 

(3) 자유실시(FTO) 판단 
결국 맥신이라는 물질 자체나 보편적인 에칭 방식에 대해서는 권리 확보가 완전하지 않은 것으로 보인다. 따라서 특정 유기 화합물 결합 방식만 피한다면, 국내외 기업들이 독자적인 공정으로 제품화할 수 있는 자유실시 기술의 영역이 충분히 넓다고 판단된다.

5. 특허로 본 시장 현황: 중국의 물량 공세와 틈새 전략

중국의 압도적 점유율
현재 전 세계 맥신 특허 출원의 90% 이상을 중국이 차지하고 있다. 대학 및 국가 연구기관 주도로 방대한 양의 특허 장벽을 쌓고 있는 형국이다.
 

양보다 질의 전략 
중국이 양적 공세를 펼치고 있다면, 우리나라는 실질적인 상용화 공정과 고부가가치 응용 분야에 대한 질적 위주의 특허 포트폴리오 구축이 시급한 상황이다.

6. 국내외 연구 선도 그룹은?

중국의 UNIV SHANDONG, UNIV WUYI, UNIV SHAANXI SCIENCE & TECH, UNIV BEIHANG§UNIV SHANDONG, UNIV BEIHANG, UNIV SHAANXI SCIENCE & TECH, HARBIN INST TECHNOLOGY, UNIV  LIAONING, UNIV XIAN TECHNOLOGY, SUZHOU BEIKE NANO TEC 등 거의 대부분 중국의 국가 연구소, 대학이 특허를 주도하고 있다. 

그러나 이들의 특허는 질적으로 낮은 것은 아니나 특정 용도에 대하여 상용화에 집중하고 있는 것으로 파악된다. 

따라서 우리는 저렴하게 맥신을 제조하기 위한 기술, 유기리간드에 대한 연구를 통한 물질 자체에 대한 원천특허 확보 전략이 필요할 것으로 판단된다. 

한국 내에서는 KIST, 국립한국교통대학교 산학협력단, 한국지질자원연구원, 한국과학기술연구원, 성균관대학교 산학협력단이주요 출원인으로나타나, 국내 대학 및 연구기관이 주도하고 있는 것으로 분석되고, 미국 내에서는  Drexel University, Auburn University 등 미국 대학을 중심으로 특허 출원 활동이 활발하게 나타나고 있다.

7. 무엇을 해야 하는가 (IP 전략 제언)

변리사로서 제안하는 맥신 IP 확보 및 상용화 전략 4가지이다.

(1) 유기리간드에 집중하라 ! - 나도 원천특허의 주인공이 될 수 있다.
드렉셀의 선행 특허가 리간드에 한정되었다면, 역으로 우리는 맥신의 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 독창적인 신규 리간드 결합 기술을 개발하여 우리만의 원천 특허를 확보해야 한다. 즉, 신규한 유기리간드를 결합한 맥신은 모두 원천특허로서 조성물 자체에 대한 권리를 확보할 수 있다. 

(2) 환경을 고려한 공정 혁신 – 지구를 지켜라! 
현재의 강산(HF) 기반 에칭은 환경 문제와 안전 비용이 막대하다. 
불소화합물을 쓰지 않는 비불소화(Fluorine-free) 에칭 기술이나 친환경 공정 특허를 선점한다면 제조 시장의 주도권을 가져올 수 있다.

(3) 제조단가 절감 및 공정 융합 – 싸게 만들어야 한다
에칭 후 지루하게 반복되는 세척과 분리 과정을 획기적으로 줄여야 한다. 반도체나 바이오 분야의 `이종기술(예: 연속식 원심분리, 막 여과 등)`을 도입하여 에칭 즉시 분리 가능한 공정 특허를 도출하는 융합적 사고가 필요하다.

(4) 용도 특화 특허 확보 – 용도별 포트폴리오를 구축하라
단순히 소재를 만드는 데 그치지 않고, 특정 산업(예: 건식 전극 공정 등)에 맥신을 최적으로 배합하고 적용하는 구체적인 레시피(Recipe) 발명에 집중해야 한다.

8. 국내 사업화 현황 - 나인테크의 도전

국내 대표적인 사례로 나인테크와 그 자회사 멕세라의 행보가 주목된다.

• 인프라 구축: 멕세라는 대용량 맥신 제조를 위한 전용 설비 및 공장 구축을 완료하며 양산 준비를 마쳤다.
• 기술 협력: 나인테크는 한국교통대학교로부터 핵심 기술을 이전받아 양극·음극 활물질 및 도전제 분야에 맥신을 적용하는 연구를 활발히 진행 중이다. 

배터리 건식 전극 및 폐배터리 재활용 등 미래 먹거리와 맥신을 연결하는 이들의 시도가 성공적인 상용화 사례가 되길 기대한다.

BLT 칼럼은 BLT 파트너변리사가 작성하며 매주 1회 뉴스레터를 통해 발행됩니다.
뉴스레터 구독신청

필자 소개
김종국 파트너 변리사는 고려대 기계공학부를 졸업하고 2007년 44기 변리사 시험에 합격했습니다. 국내 대기업, 중소기업, 스타트업, 주요 국내 대학, 국가 연구원의 국내외 특허출원 업무와 해외 대기업의 국내 특허출원 업무에 대한 경험을 가지고 있으며, 현재 중소기업의 특허출원 업무 및 특허 컨설팅 업무를 주로 진행하고 있습니다. 직무발명 컨설턴트로도 활동하고 있으며, 기술임치나 영업비밀과 같이 특허와 더불어 기업을 보호할 수 있는 제도에 대하여 관심이 많습니다.

특허법인 BLT
누군가는 특허를 만들 때, BLT는 당신의 사업의 성공을 만들어 냅니다. The Only Firm for Your Success!!

원문 보러가기

#MXene #맥신 #나노소재 #2차원소재 #신소재 #소재기술 #표면개질 #유기리간드 #에칭공정 #친환경공정 #배터리소재 #전고체배터리 #이차전지 #EMI차폐 #안테나소재 #인쇄전자 #센서 #수처리 #특허전략 #FTO #지식재산권 #특허법인 #변리사