무게가 1그램(g)에 불과하지만 이 물질의 표면적은 최대 5000㎡에 달한다. 2g만으로도 왠만한 운동장을 다 덮고도 남을 만큼 표면적이 상당하다. 바로 다공성 금속유기구조체(Metal-organic Framework·MOF)가 주인공이다. 다공성 MOF에는 미세한 구멍이 수도 없이 많아 이를 모두 펼치면 표면적이 상상을 초월할 정도로 커진다. 

다공성 MOF는 금속 이온과 유기 리간드가 다양한 형태로 연결돼 1차원이나 2차원, 3차원 구조체를 이룬다. 다양한 금속과 유기 분자를 디자인하면 원하는 성질을 부여할 수 있는 게 가장 큰 특성이다. 여러 블록 조합을 이용해 집이나 비행기도 만들어내는 레고와 유사한 개념이다. 

박선아 포스텍 화학과 교수가 이끄는 ‘기능성무기재료화학연구실’은 다양한 MOF를 디자인하고 이를 응용하기 위한 연구를 진행하고 있다. MOF를 만들 때 사용하는 금속이나 유기 리간드를 블록으로 생각해보면 블록 자체에 따라 특성이 달라지거나 이들이 모였을 때 전혀 생각하지 못한 모양이나 특성이 나오는 것처럼 다양한 금속과 유기 리간드를 재료로 생각하지 못했던 특성을 내는 MOF를 디자인하고 합성해 응용 분야를 찾아내는 연구다. 

박선아 포스텍 화학과 교수

MOF는 만드는 재료에 따라 표면적이 달라지기 때문에 더 많은 물질을 효율적으로 저장할 수 있는 연구가 활성화되고 있다. 수소를 저장하거나 유독 물질을 안전하고 보관, 저장, 운반하는 연구가 대표적이다.
 

박선아 교수의 기능성무기재료화학연구실은 여기서 한걸음 더 나아간다. 전자나 이온이 전달되는 전기전도성이 있는 물질를 디자인하는 연구를 진행하고 있다. 구멍이 워낙 많은 MOF에서 전자나 이온이 이동하는 것은 어찌 보면 무모한 도전이다. 특히 금속 이온과 유기 리간드가 연결되면 에너지 차이가 나기 때문에 전자가 이동하기 어렵다.

박 교수의 기능성무기재료화학연구실은 표면적이 큰 동시에 전기가 잘 통하는 MOF 구조를 디자인하는 연구에 집중하고 있다. 이렇게 만들어진 MOF 물질을 대상으로 배터리의 새로운 양극재나 전기화학 촉매 등으로 활용할 수 있는 연구를 진행중이다. 

기능성무기재료화학연구실은 표면적이 큰 동시에 전기가 잘 통하는 MOF 구조를 디자인하는 연구에 집중한다.

궁극적으로는 세상에 없는 전혀 새로운 구조를 지닌 물질을 MOF 기술로 합성해내는 게 연구실의 목표다. 이 물질의 특성을 예측해 재료를 설계하고 재료의 물성과 구조간 상관관계를 연구해 에너지 저장 및 전기화학 촉매 산업에 적용하려는 것이다. 
 

박 교수는 “MOF에 대한 엑스레이 구조 분석을 통해 물질의 정확한 구조를 파악할 수 있는 게 굉장히 매력적”이라며 “실제로 새롭게 디자인해서 만든 물질이 어떤 성능을 띠는지 직접 실험해 보면서 알아가는 과정의 연구의 흥미를 느낄 수 있다”고 설명했다.
 

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