포스텍, 2차원 금속 유기 골격체 용액 개발 성공

화학과 박선아 교수·박근찬씨
미국 오리건대 연구팀과 협업
국제 학술지 ‘美화학회지’ 게재

박선아 교수, 박근찬 씨

최근 포스텍·미국 오리건대 연구팀이 가공성과 전기전도도까지 우수한 새로운 금속-유기 구조체를 개발했다.

포스텍 화학과 박선아 교수·통합과정 박근찬 씨는 최근 미국 오리건대 화학·생화학과 크리스토퍼 헨던 교수 연구팀과의 공동 연구에서 아민기를 사용해 2차원 금속 유기 골격체(이하 MOF) 용액을 만드는 데 성공했다. 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘미국화학회지’에 게재됐다.

다공성 구조인 MOF는 표면적이 넓어 에너지 저장이나 촉매 등 다양한 분야에서 유망한 잠재력을 가지고 있다. 이 MOF를 전자 소자로 활용하려면 얇은 막 형태로 만들어야 하는데, 현재 기술로는 한계가 있었다.

MOF의 2차원 평면 구조 간 상호작용이 너무나 강해 용매에 잘 녹지 않고, 분리하더라도 쉽게 응집·침전돼 가공이 어렵기 때문이다.

연구팀은 이번 연구에서 ‘브뢴스테드-로우리 산-염기’ 활성을 가진 아민기를 사용했다. 아민기는 화학 반응에서 수소 이온을 받아들이는 역할을 하는데, 이를 사용하면 MOF 내 화학적 결합과 특성을 조절할 수 있다.

연구팀은 이 아민기를 유기 화합물인 헥사하이드록실트리페닐렌에 결합해 MOF를 만들었다.

연구팀은 이러한 아민기의 화학적 작용을 활용해 해당 MOF를 유기산과 반응시켜 평면 간 상호작용을 약화시켰다.

그 결과 디메틸설폭사이드 용매에 연구팀의 MOF가 고르게 녹아 흑청색의 용액이 형성, 연구팀은 X-선 실험을 통해 아민기와 유기산 사이 산-염기 반응으로 이러한 용액화 현상이 가능함을 확인했다.

또 연구팀은 스핀 코팅 공정을 통해 이 용액을 크고, 얇은 막 형태로 제작하는 데도 성공했으며, 제작 과정에서도 MOF 구조는 그대로 유지됐다. 연구팀의 MOF는 얇은 막의 형태로 가공할 시 높은 전기전도도를 나타내는 것을 확인했다. 이에 양성자를 도핑하는 것을 통해 약 5배까지 전도도를 높일 수 있었다. 이는 구리를 기반으로 동일한 골격 구조를 갖는 MOF 중에서도 가장 우수한 수준이다. 특히 유기산을 첨가하거나 제거함으로써 전기전도도를 최대 5배까지 조절하는 데 성공, 추후 전기 소자에 적용했을 때 전기적 특성을 손쉽게 바꾸며 다양한 분야에 활용될 가능성도 확인했다.

박선아 교수는 “그동안 가공이 불가능했던 분말 형태의 MOF를 용액화하고, 뛰어난 전기적 특성도 확인했다”며 ”다양한 유기 화합물에 쉽게 적용할 수 있어 여러 기능과 특성을 가진 MOF 기반의 전자 소자 제작에 도움이 될 것”이라고 말했다.

/장은희기자 [e-mail]