입자 안에 여러 금속-유기물 골격체(MOF) 소재를 원하는 형태로 섞는 합성 기술이 개발됐다. 입자의 겉과 속이 다른 물질로 이뤄진 ‘코어 셸 구조’나 서로 다른 물질끼리 골고루 섞인 구조 등을 모두 합성할 수 있다. 화학반응 목적에 따라 서로 다른 종류의 MOF를 골라 배치 할 수 있어 차세대 촉매나 센서 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다.

유니스트(UNIST·울산과학기술원)는 화학과 나명수·민승규 교수 공동연구팀이 국제학술지인 네이처 커뮤니케이션에 새로운 MOF 합성 기술을 발표했다고 2일 밝혔다.

다공성 고체인 MOF는 기공 안에 기체를 가두거나 특정 기체만 잡아낼 수 있어 기체 저장장치, 센서, 촉매 재료로 주목받는 차세대 소재다. 기본 단위구조 여러 개가 이어진 형태로, 이 단위구조를 이루는 금속과 유기물의 조합이 바뀌면 단위구조의 모양이 바뀌거나 화학적 성질이 달라져 새로운 종류의 MOF가 된다.

연구팀의 기술은 온도를 변화시켜 기본 단위구조의 공간 분포를 조절할 수 있는 기술이다. 온도가 높으면 A조합 단위구조는 입자 바깥에서, B조합 단위구조 합성은 입자 안쪽에서만 일어나 코어 셸 구조가 된다. 반면 온도를 낮추면 A, B 단위구조가 골고루 섞인 형태가 된다. 코어 셸 구조 여러 개로 구성된 멀티 코어 셸 구조도 가능하다.

특히 연구팀은 이번 연구로 기본 단위구조의 공간 분포를 조절하는 조건도 밝혀냈다. 코어 셸 형태를 비롯해 MOF 입자 내 소재 분포를 조절하는 합성법은 여럿 개발됐었지만, 소재 분포를 변화시키는 중요 요소는 제대로 알려지지 않았었다.

이번 연구를 통해 교환체 교환 속도와 확산 속도 간의 온도 민감도 차이가 중요한 것으로 드러났다. 교환체는 MOF 단위구조의 기존 금속과 유기물을 대체하는 물질이다. 이 처럼 이미 합성된 MOF 입자의 유기물이나 금속을 교환체로 바꿔 새로운 MOF를 합성하는 방식을 ‘합성 후 교환방식’이라 한다. MOF 단위구조의 모양은 유지하면서 구성 조합만 바꿀 수 있어, 모든 원료를 한꺼번에 넣어 MOF를 합성하는 방식보다 원하는 MOF 합성이 쉽다.

제1저자인 성준모 연구원(UNIST 화학과)은 “MOF 구조 사이로 교환체가 퍼져나가는 속도는 온도에 덜 민감한 반면, 기본구조의 유기물이 교환체로 대체되는 반응은 온도에 더 민감한 원리를 이용한 합성법”이라며 “온도조절만으로 공간 분포 조절이 가능해 쉽게 응용할 수 있다”고 설명했다.

교환체 교환 속도와 확산 속도 차이에 따른 물질의 공간 분포를 시뮬레이션한 민승규 교수는 “이론과 실험적 결과가 일치하는 우수 연구 사례로 향후 다양한 합성 후 교환 방식을 개발하는 데 지침이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

나명수 교수는 “단위 구조체의 공간 분포를 잘 조절하면 원하는 목적에 맞는 MOF 소재를 만들 수 있다”며 “다양한 MOF 기반 센서, 촉매, 기체 저장 장치를 개발하는데 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 2월 25일자로 온라인 공개됐으며 한국연구재단이 주관하는 선도연구센터(SRC)의 지원으로 이뤄졌다.