▲ UNIST 최원영 교수팀이 금속-유기 골격체 발굴 설계전략을 개발했다.(아래 왼쪽부터 반시계방향으로 조혜진 연구원, 김지연 연구원, 최원영 교수, 김지한 교수, 남동식 연구원)

국내 연구진이 26개 지르코늄 기반 금속-유기 골격체 구조(Metal-organic framework)를 발견해 환경 문제 해결을 위한 고성능 재료 개발을 크게 앞당길 것으로 기대된다.

UNIST(총장 박종래) 화학과 최원영 교수팀은 차세대 탄소중립 소재로 주목받는 금속-유기 골격체를 더욱 효율적으로 발굴할 수 있는 설계 전략을 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀이 제안한 ‘상-하향 접근법(Up-down approach)’은 기존 두 가지 접근법을 결합해 새로운 소재 구조를 효율적으로 발굴하는 방식이다. 상향식은 작은 단위부터 쌓아 올리며 설계하는 방법이고, 하향식은 목표 구조를 먼저 설정하고 그에 맞는 재료를 찾아간다.

연구팀은 ‘금속 클러스터’라 불리는 작은 금속 조각을 이용해 설계 가능한 구조를 먼저 탐색했다. 이어 이를 연결하는 유기 연결제인 ‘리간드’를 찾아 새로운 소재 구조를 완성함으로써 기존 신소재 개발 방식 한계를 극복하고, 더 정교하게 구조 설계가 가능해졌다.

금속-유기 골격체는 금속과 유기물이 결합된 다공성 구조로, 이산화탄소 분리와 저장, 촉매 반응 등 다양한 분야에서 우수한 성능을 보였다. 그러나 기존에는 사전 정의된 구성 요소 혹은 구조에 의해 제한되어, 합성 가능한 구조들을 폭넓게 탐색하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 지르코늄을 사용해 26개의 새로운 구조를 발견했다. 그중 두 가지는 실제로 합성하는 데 성공했다. 리간드 구조를 더 정밀하게 설계할 수 있는 ‘리본 표현법’도 도입해 합성 정확성을 한층 높였다.

제1저자 김지연 연구원은 “이 접근법은 신소재를 신속하게 탐구하고 개발할 수 있는 강력한 도구”라며, 공동 1저자 남동식 연구원은 “촉매, 가스 저장, 환경 정화 등 다양한 분야에서 혁신적 소재를 빠르게 발견하는 계기를 마련했다”고 밝혔다.

최원영 교수는 “금속-유기 골격체의 화학적 다양성이 크게 확장되어 활용 범위가 넓어질 것”이라며, “기능성 소재 연구에 새로운 전환점을 제시하게 될 것”이라고 말했다.