[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

고엔트로피(high-entropy) 소재는 합금, 세라믹, 박막 등 다양한 형태로 개발되며, 혼합 구성 요소의 시너지 효과를 나타내는 "칵테일 효과(cocktail effect)"를 통해 열 및 전기 촉매, 에너지 저장 등 다양한 응용 분야에서 우수한 성능을 발현해왔다. 최근 이러한 엔트로피 기반 설계는 금속-유기 골격체(MOFs)에도 적용되어 금속 노드와 유기 리간드를 조율함으로써 수분 수확, 가스 분리, 효소 고정화 등에서 뛰어난 성능을 보여주었다. 그러나 MOF의 다변량 특성과 엔트로피 간의 직접적 상관관계는 여전히 초기 연구 단계에 머물러 있다.

2.연구내용

본 연구팀은 엔트로피 설계를 기반으로 다공성 소재의 내부 구조를 정밀하게 조율하는 새로운 접근법을 제시했다. 엔트로피 증가를 통해 소재의 확산 장벽과 흡착 특성을 조정함으로써, 수소 동위원소 분리와 같은 고난도 응용에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있음을 입증했다. 특히, 이번 연구에서는 엔트로피가 수소 흡착 열과 흡착 속도와 같은 물성을 직접적으로 향상시키는 데 중요한 역할을 한다는 점을 확인했다. 이를 통해 소재 내부의 확산 장벽을 프로그래밍 가능하게 조절함으로써, 동위원소 간 분리 효율을 극대화할 수 있음을 보여주었다. 이와 같은 전략은 LNG 액화 온도(111K) 이상의 다양한 온도 조건에서도 동적 수소 동위원소 분리 성능을 제어할 수 있도록 하며, 가스 분리 및 저장 기술의 새로운 가능성을 열어준다.

3.기대효과

이번 연구를 통해 구성 엔트로피를 활용한 나노 다공성 소재 설계 원리를 제시했다. 이는 에너지 저장, 환경 정화 및 분리 공정 등 다양한 첨단 응용 분야에서 활용 가능성을 보여준다.

[붙임] 용어설명

1.엔트로피 (Entropy)

엔트로피(entropy)는 열역학 및 통계역학에서 시스템의 무질서도나 가능 상태의 수를 나타내는 물리적 개념으로, 자연현상과 에너지 분배를 이해하는 데 중요한 역할을 한다. 엔트로피는 물질의 구성 요소들이 배열될 수 있는 다양한 상태를 정량화하며, 높은 엔트로피는 시스템이 보다 다양한 배치를 가질 수 있음을 의미한다. 이러한 특성은 재료 과학에서도 활용되며, 특히 고엔트로피 소재에서는 구성 성분 간의 복잡한 상호작용과 안정성을 확보하는 데 기여한다. 엔트로피는 재료 설계에서 혁신적인 방향을 제공하며, 특히 동위원소 분리와 같은 정밀한 응용에서 중요한 역할을 담당한다.

2.제올라이트 모방 다공성 물질 (Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs)

제올라이트 모방 다공성 물질(ZIFs)은 금속 이온과 이미다졸레이트 리간드가 규칙적으로 결합해 형성된 구조로, 제올라이트와 유사한 다공성을 지닌 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, MOFs)의 한 종류다. ZIF는 다양한 결합 방식과 기공 구조를 구현할 수 있는 설계의 유연성을 가지며, 뛰어난 화학적 및 열적 안정성을 기반으로 촉매, 가스 분리 및 저장 등 여러 산업과 연구 분야에서 각광받고 있다. 특히, 이 물질은 나노 기술 및 재료 과학에서 새로운 응용 가능성을 제시하는 핵심 플랫폼으로 주목받고 있다.

3.수소 동위원소 분리 (Hydrogen Isotope Separation)

수소 동위원소 분리(hydrogen isotope separation)는 수소의 동위원소인 경수소(H₂)와 중수소(D₂) 또는 삼중수소(T₂)를 구분하여 분리하는 과정을 말한다. 이 과정은 동위원소 간의 화학적, 물리적 특성 차이를 활용하며, 산업 및 연구 분야에서 매우 중요한 역할을 한다. 특히, 중수소는 핵융합 에너지, 중수소화 반응, 그리고 의약품 개발 등에서 중요한 자원으로 사용된다. 수소 동위원소 분리는 극히 미세한 특성 차이를 기반으로 하기 때문에 고도화된 기술과 정교한 소재가 요구되며, 효율적인 분리 기술은 에너지와 환경 분야에서 새로운 가능성을 열어주는 핵심 기술로 주목받고 있다.

[붙임] 그림설명

[붙임] 그림설명

그림 1. 엔트로피 기반 다공성 물질 설계 전략 엔트로피가 높아질 때, 좁은 기공 입구의 비율이 증가한다.

그림 2. 엔트로피 전략을 통해 제어된 다공성 MOF 구조 저엔트로피(왼쪽) 구조 및 엔트로피 기반 구조 제어를 통해 구현된 고엔트로피(오른쪽)의 (A) 도식 및 (B) 분자 구조이다.

그림 3. 엔트로피 제어에 따른 기공 부피, 수소 흡착량, 수소 친화도 변화 MOF 구조의 엔트로피가 증가할수록 수소 흡착량과 친화도가 증가한다.

그림 4. 고엔트로피 소재의 중수소 동적 분리 성능 검증 저엔트로피(왼쪽) 및 고엔트로피(오른쪽) 소재의 수소 동위원소 동적 분리에 관한 수소/중수소 혼합 기체 돌파 곡선.