▲ 왼쪽부터 이심성 교수, 자가데스 J. 비탈 교수 및 박사과정 박인혁 씨     © 관리자

해외연구자가 포함된 국내대학 연구팀이 용매 없이 고체 상태에서 빛(자외선)을 쬐여 고분자로 합성하는 친환경적 공정기술을 개발했다. 향후 고기능성 고분자 박막 합성이나 수소, 이산화탄소 등 기체 저장을 위한 나노 융합소재 개발 등 분야의 연구에 실마리가 될 것으로 보인다.

경상대학교 화학과 이심성 교수, 자가데스 J. 비탈 석좌교수(원소속 싱가포르대학교), 박인혁 연구원 등이 수행한 동 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실(BRL)지원사업 등의 지원으로 수행되었다. 이번 연구성과는 국제학술지 안게반테 케미(Angewandte Chemie)지 ’13.12.10일자 온라인판에 게재되었고, 속표지논문으로도 출간될 예정이다. (논문명 : Metal-Organic Organo-Polymeric Hybrid Framework by Reversible [2+2] Cycloaddition Reaction)

70년대 고체 상태에서 자외선을 쬐는 방식으로 두 개의 계피산 분자를 연결하여 이합체(dimer)를 합성하는 방법*이 소개된 이래, 용매제 없이 빛을 사용하는 친환경적인 고분자 물질 합성법에 대한 연구가 활발히 진행돼 왔다.

하지만, 합성의 전처리 과정으로 수만개의 원료 분자들을 일정한 간격으로 배열시켜야 하기 때문에 빛을 쬐여 고체반응을 유도하는 방식의 고분자 합성 사례는 아직까지 없었다.

* 광-유도 고리화 첨가반응 : 탄소간 이중결합 (C=C)을 갖는 두 개의 근접한 올레핀 분자가 외부에서 빛 에너지를 받아 두 분자사이에 두 개의 C-C 다리결합으로 사각고리를 형성하는 반응

연구팀은 금속이온과 유기분자와의 반응을 통해 규칙적 패턴을 가지는 구조체인 금속초분자*를 중간체로 제조함으로써, 다량의 유기분자들을 배열시키는 전처리 과정의 한계를 극복했다.

올레핀**을 헤링본 패턴***처럼 배열시킨 금속초분자를 제조하고, 여기에 자외선을 쬐여 올레핀 분자들 간의 연속적인 결합을 유도하였다. 그 결과 100% 수율로 고분자가 합성되었다.

* 금속초분자 : 금속이온과 유기분자 사이의 약한 상호작용으로 형성되는 구조물로서 규칙적인 결정성 골격구조를 갖는 경우가 많아, 나노 크기의 빈 공간을 가질 경우 향후 기체 저장물질, 센서물질 및 에너지 소재 등으로 활용될 것으로 기대됨

** 올레핀 : 두 탄소사이에 이중결합을 갖는 불포화 탄화수소 화합물로 고분자 및 식의약품 등의 주요 원료물질로 널리 활용된다.

*** 헤링본 패턴 : 생선의 뼈처럼 생긴 모양을 사선으로 이어놓은 무늬

동 성과는 용매를 사용하지 않는 친환경적 공정으로 고분자 물질의 합성이 가능함을 보여준 것으로 고기능성 박막, 수소 저장 물질 등 나노융합소재 개발 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다.

또한, 연구팀은 이렇게 만들어진 고분자 물질은 250°C에서 3시간 가열하면 분자간 결합이 붕괴되면서 원래의 금속초분자로 돌아가는 가역성을 나타냄을 밝혀냈다.

이는 빛과 열에 의한 제조 및 분해 조절 가능성을 보여주는 것으로 나노-스위치 디바이스 등으로의 응용 가능성이 크다.

이심성 교수는 “고분자 합성의 새로운 방법론을 제시한 것으로 다양한 나노융합 소재 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.