^*유기고분자: 유기 화합물에 속하는 고분자 화합물. 각종 합성수지(플라스틱)이나 합성섬유 등을 떠올리면 된다. 원래 유기물은 생물을 구성하는 화합물을, 무기물은 돌이나 흙을 구성하는 광물에서 얻을 수 있는 물질을 의미했지만 1828년 독일의 화학자 뵐러(Friedrich Wöhler)가 암모니아와 이산화탄소에서 유기 물질인 요소를 합성하면서 기존의 기준이 모호해졌고, 현재 유기물은 탄소 골격을 가지고 생명체와 밀접한 관계가 있는 물질로 규정하고 있다.

^**THA(Triptycene-based HexAmine): 아민 6개로 이뤄진 테트라포트 모양의 저분자. 테트라포트는 방파제에 쉽게 볼 수 있는 입체구조물이다. 서로 다른 세 방향으로 향하는 다리를 가지고 있다.

^***HKH(HexaKetocycloHexane): 6각형 고리 모양으로 생긴 유기 저분자. 6개의 팔이 있어 다른 육각형 고리 모양의 화합물로 화학반응(방향화 반응)이 잘 일어난다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

미국의 세일가스 추진 정책이 등장하고, 수소 에너지의 중요성 증대됨에 따라 ‘기체 저장’ 분야도 함께 주목 받고 있다. 이에 미국의 DOE 부서는 해마다 단계적인 목표치를 제시하며 ‘기체 흡착 기술’에 대해 뚜렷한 그림을 그려왔다. 수소, 메탄, 이산화탄소 등은 에너지 산업과 직접적인 연관이 있으므로 많은 연구자들이 이들 기체를 저장하는 기술에 매진해왔다. 이 기술은 특히 금속-유기구조체(metal-organic frameworks)에서 시작돼 연구가 활발하게 진행됐다. 그러나 금속-유기구조체의 구조적 불안정성 때문에 한계에 부딪치는 실정이다. 여기에 대한 대안으로 안정한 ‘공유결합 유기구조체(covalent organic frameworks)’이 제시됐으며, 이 기술이 발전을 거듭하면서 기체 저장에 관한 우수한 가능성을 입증하고 있다.

2. 연구내용

고분자를 형성하는 ‘단위 분자’인 단량체(monomer)를 이용해 결정성을 가지는 유기구조체를 제조하려면 불안정한 가역반응을 이용해왔다. 이처럼 불안정한 단일결합으로 연결된 유기구조체들은 안정성을 보장받지 못했다.

본 연구팀에서 설계한 유기구조체, ‘3D-CON(Cage-like Organic Network)’은 모든 결합이 사다리처럼 연결된 방향족으로 구성된다. 이 덕분에 구조적으로 매우 안정하며, 600℃의 고온에서도 견디는 것도 확인됐다. 게다가 0.3㎚ 이하 크기의 기공들이 3차원으로 연결된 구조라서 여러 통로로 기체가 출입할 수 있다. 이는 기체를 더욱 효과적으로 저장할 수 있는 기반이 된다. 3D-CON은 지금까지 보고된 다공성 유기물질 중에서 가장 높은 수소 흡착량을 보였다. 또 고압 환경에서 메탄과 이산화탄소 또한 높은 흡착량을 보여주며 실용화 가능성을 열었다.

3. 기대효과

본 연구 결과는 기존에 없던 연결방식으로 만들어진 안정한 3차원 유기구조체가 우수한 기체 저장 특성을 가진다는 것을 보여줬다. 이 반응을 토대로 다양한 기공 크기를 손쉽게 조절할 수 있는 전략도 제시한다. 게다가 고온 안정성은 실용화에 큰 기여를 할 수 있다. 3D-CON 구조를 잘 분석해 심도 있게 연구하면 보고되지 않은 새로운 물리화학적 현상들도 발견될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 앙게반테 케미(Angewandte Chemie)

Wiley-VCH에서 발간하는 주간 과학 학술지로 화학 분야에서 세계적 권위를 인정받는 과학전문지이다. (2016/2017 Impact Factor=11.994)

2. 방향화 반응(aromatization reaction)

반응 결과물이 벤젠고리와 같은 방향족이 되는 화학반응을 말한다. 본 연구에서는 두 개의 아민기와 두 개의 캐톤기가 만나 사다리처럼 결합하는 안정한 구조를 형성한다. 열역학적으로 자발적 반응이기 때문에 매우 안정한 구조를 가지게 된다.

3. 초미세기공 구조(ultramicroporous structure)

일반적으로 2㎚(2×10^-9 m)이하의 기공 크기를 마이크로포어(micropore)라고 명명하지만 0.7㎚ 이하의 기공 크기에 대해선 접두사 울트라(ultra-)를 붙여 울트라마이크로포어(ultramicropore)라 명명한다.

4. 미국에너지부(Department of Energy, DOE)

미국의 원자력 사업을 총괄하는 정부 행정기관. 약칭은 DOE이며 1946년에 창설하여 에너지와 관련된 정책을 맡는 곳이다.

[붙임] 연구결과 문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

두 개의 유기물이 반응해 모두 방향화 구조로 이루어진 3차원 유기 구조체를 만들었다.

2. 어디에 쓸 수 있나

본 연구의 결과물은 수소, 메탄, 이산화탄소 등 다양한 기체를 저장하는 데에 쓸 수 있다.

3. 실용화까지 필요한 시간은

3-5 년

4. 실용화를 위한 과제는

본 연구 성과는 두 개의 단량체로 질소가 균일하고, 모든 부분이 방향족으로 구성돼 안정하다. 이런 구조체를 형성하기 위한 값싼 단량체를 공급할 수 있다면 실용화는 문제없을 것으로 보인다.

5. 연구를 시작한 계기는

본 연구팀은 2015년 네이처 자매지에 유기 반도체 소자로써 그래핀을 뛰어넘는 2차원 유기구조체(C2N)를 발표했다. 이를 기반으로 3차원 구조를 생각하다가 독특한 구조가 그려질 것이라 생각해 시작하게 되었다.

6. 에피소드가 있다면

고압 기체 실험을 대전에 있는 한국기초과학지원연구원에서 진행했다. 처음에 측정할 때, 담당 연구원도 흡착 수치에 놀라 석 달간 같은 실험이 진행됐다. 높은 흡착량을 가진다는 것에 대한 신뢰를 입증하기 위해 처음으로 영문 공증서를 활용하게 됐다.

7. 꼭 이루고 싶은 목표는

2010년 노벨상을 받은 그래핀의 한계를 일찌감치 인지하게 됐고, 그 한계를 극복하기 위해 새로운 2차원과 3차원 유기물 구조체를 합성하고 있다. 이 연구를 계속해 학계는 물론 산업계에서도 가장 주목 받는 연구 집단으로 성장하고 싶다.

8. 신진연구자를 위한 한마디

열정과 자신감을 가지고 꾸준히 즐겁게 연구하면 좋은 성과를 얻을 수 있을 것이다.

[붙임] 그림 설명