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잉크나 계면활성제 같은 화학물질은 수많은 분자들이 뭉쳐진 고분자로 만든다. 이런 고분자를 만드는 데 핵심적으로 사용되는 광촉매의 ‘레시피(Recipe)’가 개발돼 화제다. 여기서 주어진 순서대로 따라하면 누구나 원하는 촉매를 만들 수 있다. 향후 컴퓨터를 통한 광촉매 설계도 가능할 전망이다. UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 권민상 교수팀은 ‘합리적인 유기물 광촉매 설계 원리(유기물 광촉매 플랫폼 포함)’를 세계 최초로 개발했다. 이 원리는 컴퓨터 프로그래밍 순서도처럼 한 장의 안내도로 정리됐는데, 순서를 따라가면 이론적으로 무한개의 유기물 광촉매를 개발할 수 있다. 실제로 연구진은 이 원리를 바탕으로 30여 종에 이르는 유기물 광촉매를 개발하고, 라이브러리를 구축했다. 현재 고분자 합성에 많이 이용하는 ‘원자 이동 라디칼 중합(Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)’은 금속촉매를 쓴다. 이 기술은 합성 후 금속을 제거하는 공정이 필요해 비싸고, 금속을 완전히 제거하기도 어려워 전자나 생물의학 분야로 응용되지 못한다. 이를 해결하기 위해 유기물 광촉매를 쓰는 ‘유기물 광 산화‧환원 촉매 기반 원자 이동 라디칼 중합(Organocatalyzed Photoredox-Mediated ATRP, O-ATRP)’이 개발됐다. 하지만 이 기술 역시 다량의 촉매가 필요하고, 착색이나 생체독성 등이 나타나는 문제가 있었다. 권민상 교수는 “금속촉매를 안 쓰는 O-ATRP가 자리 잡으려면 더 좋은 유기물 광촉매가 필요한데, 지금까지는 연구가 부족했다”며 “이번 연구로 유기물 광촉매를 만드는 플랫폼을 개발하고, 적절한 순서도를 제공해, 목표 고분자에 꼭 맞는 ‘반응맞춤형 광촉매’를 설계할 방법을 찾았다”고 설명했다. 고분자 합성에는 기본적으로 단량체(monomer)가 필요하다. 단량체의 종류에 따라 요구되는 유기물 광촉매의 성질(예를 들어 광흡수파장, 산화‧환원 에너지 등)이 달라진다. 권 교수팀은 이 내용들을 종합해 설계 순서도(그림2)를 만들었다. 원하는 고분자 반응을 정의한 다음, 이 순서도에 따라 촉매를 설계하고 조금씩 조절하면 손쉽게 유기물 광촉매를 얻을 수 있다. 권 교수는 “기존에는 빛을 흡수하는 유기물 광촉매 후보군을 고분자 및 화학반응에 하나씩 직접 적용해보는 방식(Trial & Error)으로 유기물 광촉매를 개발해왔다”며 “이번에 개발한 방식은 하나의 설계원리에 따라 ‘특정한 고분자 및 화학반응’에 꼭 맞는 유기물 광촉매를 설계할 수 있어, 추후 머신러닝(Machine Learning)과 결합해 순수하게 컴퓨터를 통한 광촉매 설계도 기대할 수 있다”고 말했다. 이 방식에 따라 개발한 유기물 광촉매는 0.5ppm만 써도 성공적으로 고분자를 합성할 수 있었다. 또 기존에 O-ATRP에서는 활용하기 어려웠던 단량체를 재료로 쓰는 일도 가능했다. 권 교수는 “유기물 광촉매 플랫폼은 기존 ARTP 공정처럼 금속 촉매를 제거하는 과정이 없어 비용이 저렴하고, 다양한 단분자도 활용 가능해 O-ARTP 분야를 혁신적으로 발전시킬 것”이라며 “고분자 합성뿐 아니라 인공광합성, 물 분해 등에서도 활용할 수 있는 강력한 촉매 설계 플랫폼이 될 수 있다”고 전했다. 이번 연구의 제1저자는 바룬 씽(Varun Kumar Singh) UNIST 신소재공학부 박사이며, 김광수 UNIST 자연과학부 화학과 특훈교수(국가과학자)와 스페인 마드리드 연구소의 요하네스 기리시너(Johannes Gierschner)박사가 공동교신저자다. UNIST의 이지석(화학공학과), 박이순(신소재공학과)도 공동저자로 참여했다. 연구결과는 세계적인 과학저널 네이처(Nature)에서 출판한 촉매 분야 전문지 ‘네이처 촉매(Nature Catalysis)’ 10월 11일(목)자로 게재됐다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경코팅제이나 접착제, 화장품, 잉크젯 프린팅, 세제, 도료, 계면 활성제 등을 합성할 때는 ‘제어 라디칼 중합(Controlled Radical Polymerization, CRP)이 쓰인다. 이 기술이 필요한 시장은 약 20조 원이 넘는 수준이다. 이중 ’원자 이동 라디칼 중합(Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP)는 많은 산업 분야에서 ‘필요한 영역에 꼭 알맞은 모양과 성질을 가진 구조(well-defined structure)’를 생산하는 가장 좋은 기술로 손꼽힌다. 하지만 이 방법은 중합 후 남아있는 전이금속 촉매 제거가 까다롭다. 정제 비용이 많이 드는데다 정제 후에도 전이금속 잔류물을 완벽하게 제거하기 힘들다. 이런 단점 때문에 전자나 생물의학 분야로 ATRP를 응용하기 어렵다. 전통적인 ATRP의 대안으로 최근 ‘유기물 광 산화‧환원 촉매 기반 원자 이동 라디칼 중합(Organocatalyzed Photoredox-Mediated ATRP, O-ATRP)’이 주목받고 있다. 이 방법은 유기물 촉매를 이용하고, 상온에서 가시광선 영역의 빛을 통해 고분자 중합 반응이 진행된다. 그 덕분에 기존 중합법에 비해 친환경적이고 합성이 쉽다는 장점이 있다. 하지만 기존 ATRP에 비해 많은 양의 촉매(단량체 대비 200~1000ppm)가 필요하고, 합성된 고분자가 착색되거나 생체 독성을 갖는 문제점이 있다. 더욱이 중합할 수 있는 단량체가 아크릴계 단량체로 한정된다는 명확한 한계가 있다. 이런 문제들은 새로운 유기물 광촉매를 개발하면 해결할 수 있지만, 유기물 광촉매 개발 연구는 전 세계적으로도 거의 이뤄지지 않고 있다. |
2. 연구내용이번 연구에서는 합리적인 유기물 광촉매 설계 원리를 세계 최초로 개발하고, 이를 바탕으로 30여 종에 이르는 유기물 광촉매 라이브러리를 구축했다. 본 연구팀에서 개발한 유기물 광촉매 플랫폼을 이용하면 이론적으로 무한개의 유기물 광촉매 개발이 가능하다. 특히 광촉매의 중요한 성질(예: 기저상태나 들뜬상태의 산화‧환원 포텔셜, 광흡수파장 등)들의 실험값과 양자계산을 통해 예측된 값이 잘 일치한다는 걸 증명했다. 이를 통해 컴퓨터를 통한 유기물 광촉매 설계가 가능하도록 만들었다. 연구팀에서 개발한 설계원리를 바탕으로 0.5ppm의 초미량으로도 성공적인 고분자 중합이 가능한 유기물 광촉매를 세계 최초로 개발했다. 비(非)아크릴계 단량체인 스티렌(styrene) 단량체를 성공적으로 중합할 수 있는 촉매도 세계 최초로 발굴했다. 이는 O-ATRP 분야의 혁신적인 성과로, 초미량의 촉매를 사용할 경우 추가적인 촉매 제거 과정 없이 고분자를 사용할 수 있게 돼 공정비용을 크게 낮출 수 있다. 또 비(非)아크릴계 단량체를 성공적으로 중합함으로써 O-ATRP의 쓰임새를 크게 향상시킬 수 있다. |
3. 기대효과이번 연구로 개발한 설계 원리를 이용하면, 광촉매의 중요한 성질을 자유자재로 조절할 수 있다. 이는 ‘반응 맞춤형’ 광촉매 설계를 가능하게 해 O-ATRP뿐 아니라 인공광합성을 비롯한 다양한 광산화환원 반응에 폭넓게 응용될 수 있다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림1. 합리적인 유기물 광촉매를 위한 안내도: 왼쪽 끝에 있는 고분자를 성장시켜 오른쪽 끝에 있는 고분자로 만드는 과정에는 ‘유기물 광촉매’가 필요하다. 이번에 개발한 광촉매 설계원리는 ‘강력하게 비틀린 전자주개-전자받개(Strongly twisted D-A)’ 구조(플랫폼)로 연결된 전자주개(D)와 전자받개(A)에 각각 어떤 유기물을 넣을지 결정하는 과정이다. 이번에 개발한 플랫폼을 이용하면, 1ppm 미만의 촉매(Sub-ppm catalysis loadings)만 써도 고분자를 합성할 수 있다. 또 다양한 종류의 단량체를 고분자 합성의 재료로 가져오는 것(Expanding the scope of monomers)도 가능하다.
그림2. 합리적인 유기물 광촉매 합성 순서도: 촉매 합성 시작부터 종료까지 순서도로 정리된 과정을 따라가면 모양과 성질을 자유자재로 조절한 고분자를 만들 수 있다. |
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