KAIST, 에너지 기체 메탄 등 저장 신소재 개발용 필수 측정 기술 개발

온실가스 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체( 메탄, 수소 분자 등)를 고용량으로 저장할 수 있는 새로운 기공구조 소재 개발에 필수적인 측정 기술 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

이른바 기체 분자 흡착 거동 실시간 분석측정장비와 시스템이다.
이는 현재 직면한 에너지와 환경문제를 극복하기 위해서는 온실가스인 이산화탄소, 고용량 에너지 전달체인 메탄, 수소 분자 등을 고용량으로 저장할 수 있는 새로운 기공구조의 개발이 필수적인 가운데 나온 개가다. 이에 따라 기체 분자들의 흡착 거동을 실시간 분석해 새로운 소재를 개발하는 방식이 주목받고 있기 때문이다. 그러나 기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있어 흡착 거동을 직접 관찰하거나 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동을 분석할 수 없었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템을 개발했다.
KAIST는 이 대학 EEWS대학원 강정구 교수 연구팀이 이른바 금속유기골격체(MOF, metal organic framework)의 각 세부 기공에서 분자의 흡착 거동을 실시간 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 발표했다.

기존 기술로는 소재 내에서 흡착된 기체 분자의 양만 파악할 수 있을 뿐 기체분자들의 흡착 거동을 직접 관찰할 수 없었다. 또한 소재를 구성하는 기공별 가스의 흡착 거동도 분석할 수 없었다.

연구팀이 개발한 시스템은 넓은 비표면적을 갖고 있어 이산화탄소, 수소나 메탄 등의 저장에 매우 용이한 신규소재인 금속 유기골격체의 흡착과정을 실시간 관찰할 수 있다. 특히 단일기공구조가 아닌 여러 기공이 존재하는 금속 유기골격체의 흡착 거동에 대해 분석할 수 있었다.

연구팀은 금속 유기골격체 분자들의 흡착 거동을 기공별로 분리해 관찰 및 측정함으로써 기존에 분석할 수 없었던 분자들의 순차적 흡착과정을 확인했다. 나아가 기공의 구조 및 흡착 분자의 종류가 흡착 거동에 어떤 영향을 미치는지 체계적, 정량적으로 분석해 각각의 흡착에 어떤 구조의 금속 유기골격체가 저장 소재로 가장 적합한지에 대한 방안도 제시했다.


연구팀은 문제 해결을 위해 구조적 정보를 얻을 수 있는 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 측정 장비와 기체흡착 측정 장비를 결합한 실시간 기체흡착 X-선 회절 시스템을 개발했다. X-선 회절 측정장비는 1952년 로절린드 프랭클린과 1953년 왓슨과 크릭이 DNA 구조를 살펴볼 때 사용됐다.

강 교수는 “각 기공 분자의 실시간 흡착 거동을 정량적으로 분석해 기공의 화학적 성질과 구조적 특성이 흡착 거동에 미치는 영향을 밝혔다”라며 “분자의 실시간 흡착 거동을 물질 전체가 아닌 물질을 구성하는 세부 기공 수준에서 이해함으로써 새 고용량 저장 물질을 세밀하게 개발하는 데 활용할 예정이다”라고 말했다.

조해성 박사가 주도한 이번 연구는 ‘네이처 케미스트리(Nature Chemistry)’ 5월 13일자 온라인판에 게재됐다. 논문명은 ‘가스흡수 결정학에 의한 개별 구멍의 등온선((Isotherms of Individual Pores by Gas Adsorption Crystallography)’이다. 이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com