특정 특성을 가진 물질을 생성하는 능력은 에너지 저장 및 의생명 공학 분야의 가능성을 변화시키고 있습니다. 금속-유기 골격체(MOF)는 특정 구조와 특성을 개발할 수 있는 무한한 가능성을 지닌 물질의 대표적인 예입니다. 지난 20년간 이러한 물질에 대한 연구가 비약적으로 발전함에 따라, 이제 가스 분리 및 저장부터 촉매 및 의생명 센서에 이르는 다양한 분야에서 혁신을 주도할 준비를 마쳤습니다.
2025년 노벨 화학상 수상자가 2025년 10월 8일에 발표되었으며 구조 조절이 가능하고 표면적이 넓은 혁신적인 다공성 결정 물질인 금속-유기 골격체(MOF) 관련 연구가 선정되었습니다. MOF는 뛰어난 범용성을 바탕으로 환경 정화, 재생 에너지, 산업용 촉매, 의료 진단, 약물 전달, 전자 공학 및 센서 기술 분야의 글로벌 과제를 해결할 수 있는 플랫폼으로 활용됩니다. CAS 과학자들은 이미 오래전부터 MOF에 주목해 왔으며(영상), 노벨상 수상 가능성이 충분하다고 평가한 바 있습니다.
{{pfas="/ads"}}
MOF는 금속 이온 또는 금속 클러스터와 유기 리간드가 배위 결합으로 연결되어 형성된 다공성 결정 물질입니다. 1990년대 오마르 M. 야기(Omar M. Yaghi) 박사팀이 발견한 이후, 약 9만 개의 MOF가 합성되었으며 수십만 개가 추가로 예측되었습니다. 우리는 과학 정보 분야에서 가장 방대한 인적 큐레이션 저장소인 CAS Content CollectionTM을 분석하여 MOF가 큰 영향력을 발휘하는 분야를 조사했으며, 그 결과 MOF 관련 논문 수가 불과 몇 년 사이에 급증했음을 확인했습니다(그림 1 참조).
대부분의 출판물이 저널에 집중되어 있지만, 특허 출판물의 증가는 이 기술의 광범위한 상용화가 임박했음을 시사합니다. 이는 탈탄소 노력, 깨끗한 물 확보, 센서, 약물 전달 시스템 등에서 중요한 돌파구가 마련될 수 있음을 의미합니다.
금속-유기 골격체란 무엇인가?
MOF는 주로 전이 금속과 카르복실산, 피리딜, 술폰산, 시안화물과 같은 작용기를 포함하는 유기 리간드로 구성됩니다(그림 2 참조). 금속 클러스터 내의 금속 이온과 유기 리간드의 조합은 다양하게 구성될 수 있으며, 이것이 MOF의 다양한 특성을 결정짓는 핵심 요소입니다. 즉, 기공의 크기, 모양, 화학적 및 물리적 특성을 자유롭게 조절할 수 있습니다.
.png)
MOF의 표면적은 현존하는 모든 물질 중 가장 넓은 수준으로, 최대 7000 m2/g에 달하며 향후 14600 m2/g까지 도달할 것으로 예측됩니다. 또한 높은 다공성과 조절 가능한 화학적 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 다양성 덕분에 MOF는 여러 응용 분야에서 유용하게 쓰이지만, 모듈식 특성으로 인해 구조와 특성 간의 관계를 예측하고 특정 용도에 맞는 물질을 선택하는 데 어려움이 따르기도 합니다. 첨단 기술이 이러한 과제를 해결하는 열쇠가 될 수 있습니다.
AI가 금속-유기 골격체 연구를 주도하는 방식
머신러닝을 포함한 AI 방법론은 방대한 기존 MOF 데이터를 스크리닝하고 새로운 MOF의 특성을 예측할 수 있어, 특정 응용 분야에 적합한 MOF를 성공적으로 식별하는 데 드는 시간과 노력을 줄여줍니다. 예를 들어, 수소 가스 흡착을 위해 MOF를 스크리닝하는 머신러닝 기법은 기존 분자 시뮬레이션보다 3배 이상 빠른 속도를 보였습니다.
마찬가지로, MOF 합성은 일반적으로 시행착오 방식을 거치기 때문에 시간과 자원이 많이 소모됩니다. 그러나 다른 연구에서는 이전 실험 데이터를 학습한 머신러닝을 통해 계획된 합성 실험의 결과를 예측한 결과, 89%의 성공률을 기록했습니다.
AI 기반 기술은 MOF 구조와 특성의 거의 무한한 가능성을 인간 연구자보다 빠르게 평가함으로써, 이러한 소재를 이론에서 실제 활용 단계로 전환하는 과정을 촉진할 수 있습니다. CAS Content Collection을 통해 지난 10년간 MOF 분야에서 AI 관련 출판물이 증가하고 있음을 확인할 수 있습니다. 이러한 AI 관련 문서에서 CAS가 색인한 상위 15개 개념을 살펴보면, 기술적 측면과 더불어 흡착 및 분리와 같은 주제에 대한 관심이 높아지고 있음을 알 수 있습니다(그림 3 참조).
금속-유기 골격체(MOF)의 잠재적 탈탄소화 응용 분야
MOF는 다양한 특성을 지니고 있어 가스 저장 및 분리, 촉매 작용, 에너지 저장 등 탈탄소화 노력을 뒷받침하는 여러 응용 분야에 적합한 후보 물질입니다. 그림 4는 CAS Content Collection에 수록된 출판물을 바탕으로 MOF 연구가 활발히 진행 중인 다양한 분야를 보여줍니다. 또한 에너지 및 가스 저장과 같은 탈탄소화 관련 응용 분야에서 상당한 비율의 특허가 출원되고 있음을 확인했습니다.
MOF가 이러한 응용 분야에서 유망한 후보로 꼽히는 이유는 무엇일까요? 바로 조절 가능한 특성이 핵심 요인입니다.
- 가스 분리 및 저장: 높은 표면적과 다공성, 그리고 조절 가능한 화학적 특성이 결합되어 MOF는 가스와 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착하는 능력을 갖추게 됩니다. 이는 특히 CO2와 관련하여 가스 분리 및 저장 분야에서 엄청난 관심을 불러일으키고 있습니다. MOF는 산업 배출량을 줄이고 지구 온난화를 억제하는 데 필수적인 탄소 포집 기술에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.
ExxonMobil은 탄소 포집 및 나프탈렌 분리와 관련된 MOF 특허를 출원했습니다. 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST) 또한 탄소 포집 및 가스 분리에 관한 특허를 출원했으며, Nuada와 같은 스타트업은 MOF가 시멘트 제조업체의 CO2 포집을 어떻게 도울 수 있을지 연구하고 있습니다.
- 에너지 저장: MOF는 리튬 이온 배터리의 양극 및 음극 소재로 연구되고 있습니다. 또한 넓은 표면적 덕분에 슈퍼커패시터 응용 분야에서도 연구가 진행 중입니다. 이러한 에너지 저장 장치는 하이브리드 차량과 열차에 자주 사용됩니다.
- 촉매 작용: 모듈식 구성으로 인해 활성 부위나 화학적 기능을 선택할 수 있는 MOF의 표면적은 촉매 응용 분야에도 적합합니다. 이는 연료 전지 및 수전해와 같은 에너지 저장 및 변환 기술에 중요합니다. 한 연구에 따르면 MOF에서 유도된 질소 도핑 탄소 나노튜브는 다른 전기 촉매에 비해 향상된 전기 촉매 활성과 안정성을 보였습니다.
그림 5에서 이러한 기술 및 기타 기술과 관련된 특허 현황, 특히 국제특허분류(IPC) 코드인 작업 수행(B) 및 전기(H) 분야를 확인할 수 있습니다.
MOF 응용을 위한 추가 분야
이러한 구조와 특성의 가변성 덕분에 MOF는 탈탄소화 노력 외에도 여러 분야에서 유망하게 활용됩니다. 예를 들어, MOF의 흡착 능력은 에어컨의 제습이나 대기 중 수분 포집을 통한 물 생성에 유용합니다. 이는 깨끗한 수원이 부족한 지역에 식수를 공급하는 데 결정적인 역할을 할 수 있습니다. 특허 분석 결과, 캘리포니아 대학교 이사회(Regents of the University of California)가 물 및 공기 정화와 수분 포집을 위해 MOF를 연구하고 있음을 확인했습니다.
재료 연구자들은 CAS SciFinder를 사용하여 재료 과학 문헌을 검색하고, 혁신을 뒷받침하는 구조-특성 관계 및 합성 방법을 파악할 수 있습니다.
MOF의 생물의학적 응용 분야도 성장하고 있습니다. MOF의 독특한 구조는 링커 방출, 리간드-금속 전하 이동, 금속-리간드 전하 이동 등 다양한 경로를 통해 발광 특성을 나타내게 합니다. 이로 인해 낮은 독성과 생분해성 덕분에 발광 기반 센서, 특히 바이오센서 분야에서 활용되고 있습니다.
이러한 발광 특성과 다른 발광 나노입자를 수용하는 능력은 생물의학 영상 분야에서 MOF의 응용을 촉진하고 있습니다. 연구자들은 또한 약물 전달 시스템을 위해 MOF를 연구하고 있는데, 이는 나노기술을 활용하여 체내에 약물을 더욱 효과적으로 전달할 수 있는 유망한 분야입니다.
MOF는 모든 잠재적 응용 분야를 통해 가장 도전적인 과학 분야에서 중요한 돌파구를 마련하고 있습니다. 최근 AI와 머신러닝의 발전으로 이러한 소재의 선별 및 평가가 더 빠르고 쉬워졌으며, 이는 더 많은 발전과 상업적 활용이 머지않았음을 의미합니다.
금속-유기 골격체와 관련된 특허 활동에 대한 자세한 내용은 C&EN의 Eye on Patents를 확인해 보십시오.
