임재웅 교수 공동연구팀, MOF 구조 안정화·발광 제어 기술 개발
임재웅 교수
과학교육과
유연한 다공성 소재 구조 고정해 중수(重水) 속 미량의 물 검출
국제학술지 <Advanced Science> 게재
유연한 금속-유기 골격체(Metal-Organic Framework, MOF)의 구조를 안정화하고 발광 특성을 제어해 중수(重水, D₂O)에 섞인 미량의 물(H₂O)을 검출하는 형광 센서 기술이 개발됐다.
과학교육과 임재웅 교수팀은 KAIST 권오훈 교수팀, UNIST 나명수 교수팀과 공동으로, 유연한 금속-유기 골격체(Flexible MOFs)의 기공 내부에 포집된 리간드(금속과 결합하는 유기분자)와 물 분자를 활용해 MOF 소재 구조를 단단하게 고정하는 ‘링커 잠금(linker-locking)’ 기술을 개발했다.
연구팀은 이를 통해 물속에서도 MOF의 구조와 발광 특성을 안정적으로 유지하고 물과 중수에서 나타나는 형광 수명 차이를 이용해 중수 속에 섞인 미량의 물까지 감지하는 데 성공했다. 연구 결과를 담은 논물은 국제학술지 <어드밴스드 사이언스(Advanced Science)>(IF=14.4)에 최근 게재됐다.
기존에는 ESIPT(Excited-State Intramolecular Proton Transfer, 빛을 받은 분자 내부에서 양성자가 이동하면서 발광 특성이 변하는 현상)를 활용해 물과 중수의 미세한 차이를 형광으로 구분하는 방법이 쓰였다. 그러나 물과 중수의 상호작용이나 분자의 구조적 유연성에 따라 발광 특성이 달라질 수 있어 하나의 안정적이고 명확한 발광 신호를 얻기 어려웠다. 특히 기존 ESIPT 기반 MOF에서는 서로 다른 발광 상태가 혼재할 수 있어, 수중 환경에서 안정적인 감지 성능을 구현하기 위한 구조 및 발광 제어 기술이 필요했다.
이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀이 제시한 링커 잠금 기술은 MOF 기공 내부에 포집된 리간드와 구조적 물 분자를 활용해 수소 결합 네트워크를 형성해 유연한 MOF의 구조를 단단하게 고정한다. 이를 통해 유연한 MOF의 구조 변형 및 수중 입자 분열 발생을 억제한다. 연구팀은 또한 혼재하던 두 가지 발광 상태인 에놀(enol)과 케토(keto) 중 케토 상태만 안정적으로 나타나도록 제어했다. 연구팀은 케토 상태가 물과 중수에서 서로 다른 형광 수명을 보이는 특성을 이용해 중수 속 물을 0.377% 수준까지 정량적으로 검출하는 데 성공했다.
구조가 고정된 MOF의 케토 상태에서 형광 수명은 물에서 4.54ns, 중수에서 17.74ns로 약 3.9배의 뚜렷한 차이를 보였다. 아울러 기공 내부 리간드와 물 분자를 제거하거나, 다시 도입하면 소재 구조를 유연한 상태와 단단한 상태 사이에서 가역적으로 전환할 수 있음을 확인했다. 물과 중수의 감지 성능도 최소 5회 반복 사용 후까지 유지해 반복 재사용 가능성을 입증했다.
MOF 구조 안정화·발광 제어 기술 개념도
이번 연구는 고순도 중수 품질 관리, 미량 수분 검출용 형광 센서, 수계 광학 기능성 소재, 수계 촉매 소재 개발 등에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 임재웅 교수는 “기존에는 MOF 합성 후 제거 대상으로 여겨지던 기공 내부의 잔류 리간드와 물 분자를 오히려 구조를 고정하는 ‘잠금장치’로 활용했다는 점에서 의미가 있다”면서 “단순히 MOF의 구조적 안정성을 높이는 데 그치지 않고, 구조를 단단하게 고정함으로써 분자 수준의 발광 과정(ESIPT)까지 제어하고 이를 실제 물/중수 감지 기능으로 연결함으로써 유연한 MOF의 구조와 광학적 특성을 동시에 제어하는 새로운 소재 설계 전략으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·교육부 국가연구소(NRL2.0) 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 논문은 「유연한 금속-유기 골격체의 구조 안정화 및 여기 상태 분자 내 양성자 이동(ESIPT) 제어를 통한 H₂O/D₂O 감지 기술 개발(Linker-Locking Strategy for the Rigidification of Flexible Metal-Organic Framework: Structural Stabilization and Controlled ESIPT for H2O/D2O Sensing)」라는 제목으로 발표됐다.
(왼쪽부터) 임재웅 교수, 권오훈 교수(KAIST), 나명수 교수(UNIST)