부산대 김일 교수팀, 다공성 유기고분자 나노구조 정밀제어 성공

부산대학교 응용화학공학부 김일 교수 연구팀이 값싼 벤젠과 유도체로부터 나노 다공성 유기고분자 구조를 정교하게 조절할 수 있는 기술을 새롭게 개발했다.

다공성 고분자는 구조에 따라 응용 분야가 달라지는데 기공 크기를 잘 조절해 물질이 활성 부위에 접근할 수 있게 하고 구조를 여러 가지로 변형시켜 이산화탄소와 같은 가스 흡착·변환, 촉매, 환경 개선, 에너지 저장, 생물 의학·공학 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

연구팀은 흔히 알려진 산-염기 반응을 이용해 값싼 벤젠과 그 유도체를 원하는 방향으로 중합(polymerization)하는 방법을 찾아냈다.

이 방법을 자기조립과 조합해 다공성 유기고분자의 구조를 구형, 튜브형, 박막형, 동공형, 벌집 모양 등으로 쉽게 조절할 수 있었다.

기존 방법으로는 다공성 유기고분자의 구조를 제어하기 위해 몇 가지 장애물을 넘어야 한다.

먼저 합성 중에 템플릿(형틀)을 사용하게 되는데 제조 후 이를 제거하기 위해 맹독성 용매를 사용해야 한다. 템플릿을 사용하지 않고 제조하는 기존 방법은 반응 시간도 길고 고온·고압이 필요하며 정제과정이 까다로워서 수율이 낮아 대량 생산을 할 수 없다.

또 기계 화학적 방법으로 단 수 분 만에 제조하는 방법이 있으나 반응 시간이 짧아 구조를 정교하게 조절할 수 없다는 단점이 있다.

구조가 제어된 다공성 유기고분자를 대량 생산할 수 있는 능력은 상업적 응용의 핵심이지만 현재까지 개발된 대부분의 제조·변성 기술은 실험실 규모에서만 사용할 수 있다.

연구 관련 이미지.

연구팀에 따르면 값싼 원료와 간단한 화학을 잘 조합하면 정교한 구조의 다공성 유기고분자를 효율적이고 확장 가능한 경로로 제조할 수 있다.

다공성 유기고분자의 구조와 기능 간의 관계에 대한 학술적 이해는 아직 초기 단계이지만 화학, 재료 과학, 역학, 물리학, 생물학을 포함하는 학제 간 접근으로 특정 응용 분야에 적합한 다공성 유기고분자를 선택하는 것이 중요하다.

연구팀은 개발한 최첨단 조립 방법·응용 프로그램에 대한 심층적 검토로 시행착오를 줄이고 다공성 유기고분자의 구조를 제어하기 위한 합리적인 접근 방식의 선택이 가능하게 됐으며 이를 통해 실험실에서 산업·상업 응용 분야로의 확장·발전이 이뤄질 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.

실제 제작된 다공성 나노캡슐은 90% 이상의 효율로 바이오디젤을 생산하고 목재의 주성분인 셀룰로오스로부터 포도당을 제조하는 효율적인 촉매로 쓸 수 있었다.

구조를 달리하면 이산화탄소의 저장체로도 사용할 수 있었으며 염료로 오염된 폐수로부터 염료를 제거하는 데도 성공적으로 적용할 수 있었다.

이 다공성 카본 소재의 경우 매우 안정돼 반응과정에서 작용기가 없어지는 일도 발생하지 않아 효율의 손실 없이 최소 5회 이상 재활용할 수 있는 경제성도 갖추고 있다.

특히 매우 안정된 구조로 섭씨 800도 이상으로 소성(燒成)한 후에도 원래 모양을 유지하는 장점이 있다.

김일 교수는 “연구팀이 개발한 소재는 각종 촉매는 물론 연료전지, 슈퍼커패시터, 리튬이온전지, 트랜지스터, 항공우주·자동차용 복합재료, 약물전달시스템, 바이오센서 등에 쓰일 수 있는 실마리가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 중견 연구지원사업(유형1)의 지원으로 수행됐으며 연구 성과는 국제 학술지 ‘프로그레스 인 폴리머 사이언스(Progress in Polymer Science)’ 5월 6일 자(온라인)에 게재됐다.

영남취재본부 황두열 기자 bsb03296@asiae.co.kr