큰사진보기
▲  사진 왼쪽부터 경남과기대 에너지공학과 오현철 교수, 울산과학기술원 문회리 교수, 한국원자력연구원 오인환 박사.
ⓒ 경남과기대	관련사진보기

 
경남과학기술대학교 오현철 교수(에너지공학)팀은 '플렉시블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework)'에서 중수소에 의해서만 기공이 열리는 흡착 현상을 세계 최초로 발견했다고 밝혔다.

오현철 교수팀은 울산과학기술원(UNIST) 문회리 교수, 한국원자력연구원 오인환 박사가 공동으로 연구를 진행했고, 울산대 강성구 교수, FRM-II 박지태 박사가 참여했다.

이 내용은 미국화학회지(JACS)(Impact Factor 14.612) 온라인 속보(7월 14일 자)로 공개됐고, 그 중요성을 인정받아 표지 논문(논문명:Specific Isotope-Responsive Breathing Transition in Flexible Metal-Organic Frameworks)으로 선정됐다.

수소의 동위원소인 '중수소'는 미래의 에너지라 불리는 인공태양을 만드는 핵심 에너지원이다.

오 교수팀은 "미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다"며 "그러나 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하고, 수소 혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 고가에 거래되고 있다"고 설명했다.

플렉시블 금속-유기 골격체는 외부의 자극에 대해 반응하여 구조가 바뀌면서 기공 크기가 변하는 독특한 성질의 다공성 물질이다.

특히 기체의 종류나 압력에 의해 선택적으로 기공(氣孔)이 팽창할 수 있기 때문에 복잡한 설계 없이 '크기가 다른' 기체를 분리하는 데 활용할 수 있다.

그러나, 크기나 모양이 같은 동위원소의 경우 기존의 플렉시블 금속-유기 골격체로부터 이러한 선택적 반응을 기대하기 어려워, 이를 통한 분리가 거의 불가능하거나 매우 정밀한 (온도와 압력) 설계가 필요했다.

오현철 교수팀은 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체(MIL-53)에서 특정 온도와 압력 하에서는 중수소에 의해서만 기공이 열리는 호흡 현상이 존재한다는 사실을 처음 발견했다.
  

큰사진보기
▲  JACS 표지 그림: 이번 논문은 미국화학회지(JACS) 표지로 선정됐다. 녹색으로 표시된 D₂가 중수소, 빨간색으로 표시된 H₂가 수소다. 플렉서블한 다공성 물질(MIL-53)의 경우 수소는 1차 호흡 과정에서 확장이 멈추지만, 중수소의 경우 추가 흡착으로 2차 호흡에 의한 구조가 확장되는 모습을 표현했다.
ⓒ 경남과기대	관련사진보기

 
플렉시블한 다공성 물질이 특정 동위원소에 의해서만 기공이 열리는 현상을 처음 보고한 연구라 학계에서 더욱 주목받고 있다고 경남과기대는 밝혔다.

이를 바탕으로 수소 동위원소 기체를 만날 때 기공 구조가 바뀌는 'MIL-53(Al)'을 선택해 중수소 흡착에 의해서만 구조 변화가 일어날 수 있는 조건을 찾는 데 성공했다.

오현철 교수는 "이번 연구는 플렉서블 금속-유기 골격체의 구조적 유연성이 크기나 모양이 동일한 동위원소에 선택적으로 반응할 수 있다는 것을 보여준 첫 연구다"고 했다.

그는 "선택적으로 반응하는 호흡현상을 이용해, 구현하기 어려웠던 동위원소 분리 효율을 크게 높일 수 있는 응용 가능성을 실험적으로 입증했다. 또한, 동위원소에 선택적인 나노 다공성 물질의 지능형 설계에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대된다"라고 밝혔다.

문회리 교수는 "이번 연구를 통해 수소 동위원소 분리에서 플렉시블 금속-유기 골격체의 잠재력을 다시 한번 입증할 수 있었다"며 "동위원소 분리를 위한 소재 설계 시 필수적으로 참조해야 하는 연구로 새로운 아이디어를 학계에 제시한 것"이라고 설명했다.

연구진이 발견한 새로운 흡착 현상으로 인하여 발생되는 추가적인 중수소 흡착량은 MIL-53(Al) 1g 당 중수소 32mg이라는 많은 양의 중수소를 얻을 수 있었다. 참고로 기존 연구에서의 중수소 분리 양은 다공성 물질 1g당 중수소 최대 12mg에 그쳤다.

이번 연구는 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업, 원자력기초연구사업 등의 지원으로 수행됐다.