기체 줄 세워 탄소·수소 골라 잡는다

카이스트 김지한 교수 연구팀, 다공성 물질 안에서 기체를 줄 세우는 '가스 격자' 설계 기술 개발
연구팀은 AI를 활용해 원하는 기체 배열을 만드는 새 다공성 구조 설계에도 성공…탄소·수소 골라 저장하는 맞춤형 소재 개발 기대

카이스트 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 기체를 원하는 모양으로 줄 세우는 새로운 소재 설계 기술을 개발했다. 카이스트 제공

카이스트 연구진이 기체를 원하는 모양으로 줄 세우는 새로운 소재 설계 기술을 개발했다. 이산화탄소와 수소 포집에 적용할 경우, 탄소는 잘 골라잡고 수소는 효율적으로 저장하는 맞춤형 소재 개발을 앞당길 것으로 기대를 모은다.

카이스트(총장 배충식)는 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 아주 작은 구멍이 무수히 뚫린 다공성 물질 안에서 기체를 결정처럼 규칙적으로 줄 세우고, 원하는 기체 배열을 만드는 소재까지 인공지능(AI)으로 설계하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

지구온난화를 일으키는 이산화탄소는 골라 잡고, 청정에너지원인 수소는 작은 공간에 효율적으로 담아야 한다.

김지한 교수 연구팀은 스펀지가 물을 머금듯 미세한 구멍에 기체를 담을 수 있는 금속-유기 골격체(MOF) 구조를 탐색해 기체가 제멋대로 흩어지지 않고 결정처럼 규칙적으로 배열되는 '가스 격자(Gas Lattice)' 현상을 찾아냈다.

이어 연구팀은 기체가 들어가는 미세 공간을 정교하게 설계하면 기체가 자리 잡는 위치와 배열까지 조절할 수 있을 것으로 보고, AI를 활용해 원하는 기체 배열을 만들어내는 새로운 다공성 구조를 직접 설계했다.

연구팀은 단일 원소 기체인 제논(Xe)을 이용해 방대한 금속-유기 골격체 구조를 탐색해 특정 코발트 기반 다공성 물질(Co-CAU-36) 안에서 제논이 규칙적인 격자를 이루는 현상을 찾아냈다.

컴퓨터 시뮬레이션을 했더니 제논은 기공 안에 제멋대로 흩어지는 대신 '체심 입방 격자(BCC)'라는 일정한 결정 형태로 정렬됐다. 연구팀은 "MOF의 미세한 기공이 일종의 '틀' 역할을 해 제논 원자들이 자리 잡을 위치를 유도했기 때문"이라며 "산업적으로 분리 가치가 높은 제논과 크립톤(Kr)을 함께 넣었더니 제논이 먼저 규칙적인 껍질 형태의 격자를 만들고 크립톤은 그 중심부에 자리 잡았다. 이를 통해 혼합기체를 분리하는 새로운 방법으로 활용될 가능성도 확인했다"고 설명했다.

이어 연구팀은 '원하는 모양으로 기체를 배열하려면 어떤 소재가 필요할까'라는 질문에 도전해 기계학습(Machine Learning)과 유전 알고리즘을 결합했다.

이는 원하는 기체 배열을 먼저 정하고 AI가 이에 적합한 다공성 구조를 거꾸로 찾아가는 '역설계' 방식이다.

그 결과 연구팀은 체심 입방(BCC)은 물론 면심 입방(FCC) 형태로 기체를 배열할 수 있는 새로운 다공성 구조를 설계하는 데에도 성공했다.

연구팀은 "이 기술이 이산화탄소와 수소 등 다양한 기체로 확대되면, 목적에 따라 필요한 기체를 선택적으로 포집·분리하거나 효율적으로 저장하는 소재 설계에 활용될 것"이라고 기대했다.

김지한 교수는 "이번 연구는 기체를 다공성 물질 안에서 결정처럼 줄 세운 첫 사례다. 앞으로 이산화탄소 등 다양한 분자에 적용하면 목적에 맞는 분리·저장 소재를 설계하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구는 카이스트 생명화학공학과 김영훈 박사과정과 김도훈 박사과정이 공동 제1저자로 참여하고, 김승우 석사과정과 임윤성 박사가 제2저자로 참여했으며, 과기정통신부의 한국연구재단 이종소재지원사업과 한국연구재단 탑-티어 연구기관 간 협력 플랫폼 구축 및 공동연구 지원사업의 지원을 받았다.

연구 논문(Framework-templated gas lattices in metal-organic frameworks, DOI: 10.1038/s41467-026-74776-5)은 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월23일 온라인 게재됐다.