보도자료

2014. 10. 20 (월) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

“물에도 강하다” 초고층 설계법 응용 다공성 물질 개발

UNIST 최원영 교수팀, 수분 흡착 탁월한 다공성 물질 개발
건축 공법 응용해 구조적 안정성 크게 개선… Adv. Funct. Mater. 게재

건축 공법에서 영감을 얻은 새로운 다공성 물질이 개발됐다. 분자 수준에서 정밀하게 설계된 이 물질은 산업 전반에서 다양한 응용이 기대된다.

UNIST(총장 박종래) 화학과 최원영 교수팀과 오현철 교수팀은 초고층 빌딩 설계 원리를 적용해 혁신적인 금속-유기 골격체(Metal-Organic Frameworks, 이하 MOF)를 개발했다. 메가 프레임 시스템을 모방해 다공성 물질 내부에 거대 분자를 배치하는 병합망 전략을 사용한 것이다.

세계 최고 높이의 빌딩인 부르즈 할리파(Burj Khalifa)는 바람과 지진, 자체 무게에도 견딜 수 있도록 설계됐다. 메가 프레임 시스템이 거대한 기둥을 전략적으로 배치해 초고층 건설을 가능하게 한 것이다.

MOF는 금속과 유기물이 결합된 다공성 구조로, 수분 흡착 능력이 뛰어나며 물과 접촉해도 구조가 무너지지 않는다. 기존 MOF는 물과 만나면 구조가 손상되거나 붕괴되는 문제가 있었지만, 연구팀이 개발한 MOF는 이러한 구조적 불안정을 개선했다.

연구팀은 MOF의 구조 내에 거대 분자를 배치해 '구조 안에 또 다른 구조'를 형성했다. 이를 통해 다공성을 유지하면서도 뛰어난 구조적 안정성을 확보했다. 또한 MOF 내부 구조를 정밀하게 조정해 수분 흡착 효율도 높였다.

제1저자 이정혜 연구원은 "이번에 개발된 MOF가 기존보다 구조적 안정성을 크게 개선했다"며 "물과 접촉해도 구조가 붕괴되지 않아, 수분 흡착 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 더욱 커질 것"이라고 말했다.

최원영 교수는 "분자 수준의 정밀한 설계를 통해 우수한 물 흡착 성능을 구현했다"며 "건축 공법을 물질 설계에 적용한 혁신적인 접근으로, 물질 연구에 새로운 가능성을 열었다"고 전했다.

연구 결과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 지난 9월 17일 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, 한국수력원자력, UNIST의 지원으로 수행됐다.

(논문명: Programmable Merged-Net Porphyrinic Metal-Organic Frameworks for Water Sorption)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 권익만 담당 (052)217-1222

화학과 최원영 교수 (052)217-2546

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

물은 지구상에서 가장 풍부한 자원으로, 최근 지속 가능한 기술에서 큰 관심을 받고 있다. 금속-유기 골격체(MOFs)는 높은 다공성과 넓은 표면적, 그리고 조절 가능한 기공 구조 덕분에 물 흡착 재료로 주목을 받고 있다. 하지만 대부분의 MOF는 구조적 안정성과 물 흡착 성능을 모두 충족시키는 데 어려움을 겪고 있다. 특히, 안정성이 뛰어나다고 알려진 Zr 기반 MOF 조차 물을 제거하는 과정에서 기공 붕괴가 일어나는 등 구조적 한계를 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 MOF 구조 내 다중 구성 요소를 결합해 구조적 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 설계 전략인 ‘병합망 합성법 (Merged-net synthetic approach)’을 도입하여, 더욱 효율적이고 실용적인 물 흡착 소재 개발을 목표로 하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 금속 중심을 가진 포피린 리간드를 활용한 새로운 병합망 합성법을 제안했다. 이 방법을 통해 기존에 발견되지 않았던 새로운 망을 성공적으로 구현했다. 이렇게 합성된 병합망 구조의 MOF는 뛰어난 구조적 안정성과 높은 다공성을 동시에 갖추고 있음을 확인하였다. 특히, 합성된 MOF는 탁월한 물 흡착 성능을 보여주었다. 기존 MOF는 물 흡착 후 구조가 쉽게 붕괴되는 반면, 병합망 합성법으로 합성된 MOF는 수분 흡착 후에도 구조적 안정성을 유지하며, 여러 차례 수분 흡착 실험 후에도 높은 수분 흡착량을 유지하는 성능을 입증하였다. 또한, Zr 클러스터의 열린 자리에 작용기를 도입하여 기공 환경을 효과적으로 조절할 수 있었으며, 이는 작용기를 통해 물 흡착 성능을 효율적으로 제어할 수 있음을 보여주었다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 분자 수준에서의 정밀한 설계를 통해 MOF의 구조적 안정성을 획기적으로 개선할 수 있었으며, 우수한 물 흡착 성능알 갖춘 MOF 합성의 가능성을 제시했다. 합성된 MOF는 물 흡착 외에도 다양한 응용 연구에 활용될 수 있으며, 새로운 병합망 구조를 가진 MOF의 발견 가능성 또한 시사했다.

[용어설명]

1. 금속-유기 골격체 (Metal-Organic Framework)

금속-유기 골격체는 금속 클러스터와 유기 연결제가 결합하여 만들어진 다공성 물질로, 높은 표면적과 다공성을 가진다. 금속 클러스터와 유기 연결제 선택에 따라 구조를 설계할 수 있으며, 구조에 따라 독특한 특성을 가질 수 있다. 이러한 장점 덕분에 MOF는 가스 저장, 이산화탄소 포집, 센서, 촉매, 약물 전달 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

2. 병합망 전략 (Merged-Net Strategy)

금속-유기 골격체는 특정 망을 기반으로 이루어진 구조이다. 대개 금속-유기 골격체는 한 종류의 망으로 이루어져 있다. 병합망은 두 가지의 망이 병합된 형태로써, 하나의 금속-유기 골격체 구조 내에 두 가지 망이 존재하는 구조를 말한다. 이 두가지 망이 병합하면서 기존에 없던 새로운 형태의 망이 발견된다.