포스텍·DGIST, 25℃ 물에서 MOF 합성

가시광선으로 약 25℃ 물에서 HKUST-1 합성

금속 유기 골격체(MOF)는 금속 이온과 유기 분자가 연결돼 내부에 미세한 빈 공간을 갖는 다공성 재료이다. 이 공간의 구조를 이용해 기체를 저장하거나 서로 다른 분자를 분리할 수 있어 소재 연구에서 주목받는다.

포스텍은 10월 12일 서대하 화학과 교수 연구팀과 정낙천 DGIST 화학물리학과 교수 연구팀이 가시광선으로 상온·상압의 물에서 MOF를 합성하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 전자신문이 전한 연구 결과에서는 약 25℃ 조건에서 구리 기반 MOF인 HKUST-1의 규칙적인 결정 구조와 미세한 구멍이 확인됐다.

이번 성과의 초점은 새로운 완제품 출시가 아니라 합성 조건을 바꾸는 방법이다. 특정 MOF에서 확인한 결과를 모든 다공성 소재에 바로 적용할 수 있다고 확대해서 읽을 단계는 아니다.

구리 공급과 표면 껍질로 결정 성장 공간 조절

연구에 쓰인 산화구리(I) 나노입자는 빛을 받으면 구리 이온을 공급한다. 이 이온이 주변 유기 분자와 반응하면서 입자 표면에 껍질을 형성하고, 껍질 안팎의 물질 이동이 제한된다. 구리 공급이 계속되는 작은 공간에서 결정이 성장하도록 만든다는 설명이다.

이를 이해하는 핵심은 용액 전체의 조건과 결정이 자라는 공간의 조건을 나누는 데 있다. 전체 용액을 높은 온도로 가열하는 대신, 반응에 필요한 원료와 공간을 입자 주변에서 조절한 것이다. 연구진은 입자 모양, 빛의 세기와 교반 조건을 바꾸는 실험 및 계산으로 작동 원리를 살폈다.

표면 껍질이 만들어진 뒤 빛을 약하게 했을 때 내부가 빈 구조도 나타났다. 빛은 원료 공급을 조절하는 수단이면서, 최종 소재의 형태를 바꿀 가능성도 보여줬다.

물을 쓰는 저온 합성, 공정 부담 줄일 가능성

고결정성 MOF를 만드는 기존 방식은 높은 온도나 유기용매, 높은 원료 농도를 요구하는 경우가 있다. 물을 용매로 쓰고 가열 조건을 완화할 수 있다면 공정의 에너지 투입과 용매 관리 부담을 줄이는 방향으로 이어질 수 있다.

다만 저온이라는 사실만으로 전체 공정의 환경성이 자동 입증되는 것은 아니다. 빛을 공급하는 데 드는 전력, 원료 제조, 세척과 회수 등 생산 과정 전체를 함께 비교해야 한다. 이번에 확인한 보도에는 이런 항목을 합산한 절감률이 제시되지 않았다.

열에 약한 물질을 MOF와 결합하는 연구에도 선택지가 늘어날 수 있다. 이 역시 향후 응용 가능성으로, 실제 제품의 성능이나 생산 비용이 이미 확정됐다는 의미는 아니다.

다른 소재 적용과 대량생산 재현성이 후속 과제

동아사이언스 보도는 연구 결과가 9월 18일 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈에 게재됐다고 전했다. 연구진은 적용 가능한 소재를 확대하고 원하는 구조와 기능을 구현하는 합성 방법으로 발전시키겠다는 방향을 제시했다.

후속 성과를 볼 때는 합성 가능한 소재의 범위, 동일한 구조가 반복해서 만들어지는지, 생산량을 늘렸을 때 품질이 유지되는지를 확인할 필요가 있다. 실험실에서의 합성과 산업 현장의 연속 생산은 규모와 운영 조건이 다르기 때문이다.

대표 이미지는 물과 비커를 담은 일반 실험실 자료 사진이며, 이번 연구 장치나 합성 결과를 촬영한 사진은 아니다.