[뉴스프리존,진주=정병기 기자] 국립 경남과학기술대학교(총장 김남경) 에너지공학과 오현철 교수팀은 ‘플렉시블 금속-유기 골격체(flexible metal-organic framework)’에서 중수소에 의해서만 기공이 열리는 흡착 현상을 세계 최초로 발견하며 학계 주목을 받고 있다고 밝혔다.

오현철 교수팀은 UNIST 문회리 교수, 한국원자력연구원 오인환 박사가 공동으로 진행했으며 울산대 강성구 교수, FRM-II 박지태 박사가 참여했다. 이 내용은 미국화학회지(JACS)(Impact Factor 14.612) 온라인 속보(7월 14일 자)로 공개됐으며, 그 중요성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

수소의 동위원소인 ‘중수소’는 미래의 에너지라 불리는 인공태양을 만드는 핵심 에너지원이다. 미래 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전의 핵심원료이자, 원자력 발전과 연구용 장비 등에 쓰이는 대체 불가능한 자원이다. 그러나 지구상에 존재하는 중수소는 전체 수소 중 0.016%로 극히 미미하고, 수소 혼합물에서 중수소를 분리하기도 어려워 고가에 거래되고 있다.

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 (온도 및 압력) 설계가 필요했다.

오현철 교수팀은 대표적인 플렉시블 금속-유기 골격체인 ‘MIL-53’에서 특정 온도 및 압력 하에서는 중수소에 의해서만 기공이 열리는 호흡 현상이 존재한다는 사실을 처음 발견했다. 플렉시블한 다공성 물질이 특정 동위원소에 의해서만 기공이 열리는 현상을 처음 보고한 연구라 학계에서 더욱 주목받고 있다. 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 플렉시블 금속-유기 골격체의 기공 크기가 특정 동위원소에만 선택적으로 반응하여 구조가 변하는 새로운 흡착 현상을 세계 최초로 발견한 데 큰 의의가 있는 것”이라며 “이를 활용하면 복잡하게 분리 시스템을 설계하고 가공하지 않아도 경제적인 동위원소 분리 및 중수소 농축이 가능하다”고 설명했다.

이어 “이번 연구는 플렉서블 금속-유기 골격체의 구조적 유연성이 크기나 모양이 동일한 동위원소에 선택적으로 반응할 수 있다는 것을 보여준 첫 연구다”며 “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 의미를 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.