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유룡 교수, 벌집 모양 규칙적 구조의 제올라이트 개발
- 사이언스誌 발표,“제올라이트 학계의 20여년 숙원 과제 해결!”-
우리 학교 화학과 유룡 교수 연구팀은 벌집모양의 메조나노기공과 보다 미세한 크기의 마이크로나노기공이 규칙적으로 배열되어 있는 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’ 신물질을 개발하는데 성공하였다.
유 교수팀은 2009년 나노판상형태의 초박막 제올라이트 물질을 합성하여 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처誌에 게재한데 이어, 벌집모양의 메조나노기공을 갖는 제올라이트 물질의 개발 성과로 사이언스誌 2011년 7월호(7월 15일자)에 논문을 게재하여 제올라이트 연구의 우수성과 학술적 중요성을 모두 인정받았다.
제올라이트는 가솔린 생산을 비롯하여 석유화학산업 전반에 걸쳐 세계적으로 가장 널리 이용되는 촉매물질이다. 촉매는 다양한 화학 반응에서 사용되어 반응을 촉진시킴은 물론, 반응 시간을 단축시켜 경제성을 높이는 데 활용되는 물질이다. 화학 산업 분야에서 사용되는 촉매 물질들은 사용 후 분리를 용이하게 하기 위해 주로 고체 형태로 이루어진 촉매를 사용하는데, 제올라이트는 현재 사용되고 있는 다양한 고체 촉매들 중에서 40% 이상을 차지할 정도로 매우 높은 비율로 다양한 화학 산업 전반에 걸쳐 이용되고 있는 물질이다. 때문에, 제올라이트의 촉매 효율을 높일 경우, 이에 따른 경제적 효과는 막대하다고 할 수 있다.
기존에 산업 전반 분야에 사용되고 있는 일반 제올라이트 촉매 물질들은 내부에 무수한 미세구멍(나노세공)들이 규칙적으로 뚫려 있지만 그 직경이 매우 작아 반응 대상 분자의 확산 속도가 느리기 때문에 촉매활성이 낮은 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 미세한 마이크로나노기공과 그 보다 큰 직경의 메조나노기공이 동시에 규칙적으로 배열*되어 있는 제올라이트 물질을 합성하였다. 이러한 구조의 물질은 제올라이트 학계에서 수많은 연구자들이 합성하고자 지난 20여 년 이상을 시도해온 물질로서, 이번에 유 교수팀이 드디어 제올라이트 학계의 20여 년 동안의 숙원 과제를 해결하는 방법을 제시한 것이다. * 작은 도로만 있어 교통체증이 심한 대도시에 큰 도로와 작은 도로를 유기적으로 구성하는 도시계획을 수립, 시행함으로써 원활한 교통 흐름을 만들어 내는 원리와 같다. 크고 작은 나노세공이 유기적으로 연결된 제올라이트 내부에서 분자의 흐름이 훨씬 수월해진다.
이번에 개발한 제올라이트 물질은 연구팀이 특수 설계한 계면활성제를 사용하여 합성할 수 있었다. 이 계면활성제는 머리 부분에 제올라이트 마이크로 기공 유도체를 포함하여 제올라이트 골격의 형성을 유도하고, 소수성 꼬리 부분은 제올라이트의 마이크로 기공보다 더 큰 메조 기공을 벌집 구조 모양으로 배열할 수 있도록 하였다. 지금까지 알려져 있는 제올라이트 합성 원리는 하나의 기공 유도 분자가 하나의 매우 작은 마이크로 기공을 유도했던 반면에, 본 연구팀이 개발한 방법은 하나의 분자가 서로 다른 크기의 기공을 규칙적으로 유도한다는 점에서 기존의 방법과 차별화된다.
유교수팀이 세계 최초로 2009년에 개발한 2 nm 극미세 두께의 나노판상형 제올라이트가 2차원적인 형태로 이루어진 물질이었다면, 이번에 합성에 성공한 ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’는 3차원적 구조 규칙성을 띤 나노구조물로 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 벌집 구조를 갖고 있다.
때문에, 새로 개발한 제올라이트는 산업적으로는 중요하지만 커다란 분자 크기 때문에 기존의 제올라이트를 사용하기 쉽지 않았던 물질의 촉매로 사용할 수 있게 되었다.
유룡 교수는 “이번에 개발한 제올라이트는 지금까지 볼 수 없었던 이상적이고 안정적인 기공구조를 갖고 강한 산성을 띠고 있어 기존의 제올라이트의 단점을 충분히 보안한 물질이다. 따라서 앞으로 산업적으로 중요한 많은 고부가 가치 반응에서 고성능 촉매로 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 뿐만 아니라, 이번 연구를 통해 본 연구단이 개발한 합성 방법이 여러 종류의 제올라이트에도 적용이 가능함을 보이면서 앞으로 200여 가지가 넘는 기존의 제올라이트들의 단점도 해결할 수 있을 것이다.”고 연구의의를 밝혔다.
이번 논문의 제1저자인 나경수 박사는 성균관대학교 화학과를 조기졸업하고 KAIST에서 석사와 박사를 4년 반만에 마친 수재다. 지난 2월에는 KAIST 우수 박사학위 논문상을 수상하기도 했으며, 현재 유룡 교수가 맡고있는 KAIST 화학과 기능성 나노물질 연구단에서 박사후 과정 중이다.
[그림1] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 주사 전자현미경 사진. 균일한 두께와 길이의 뾰족한 바늘 모양의 결정들이 전 영역에 걸쳐 고루 존재하는 것을 볼 수 있다.
[그림2] ‘육방정계 구조규칙적 위계나노다공성 제올라이트’의 투과 전자현미경 사진
2011.07.15 조회수 18966 -
유룡 교수 국제 제올라이트학회 브렉상 수상
우리학교 유룡(劉龍, 55세) 특훈교수가 3년에 한 번씩 국제제올라이트학회에서 수여하는 ‘제올라이트 연구 분야의 노벨상’인 브렉상(Breck Award)을 수상했다.
역대 수상자 중 한국인으로는 유 교수가 처음이다. 수상식은 지난 8일(목) 이탈리아 소렌토에서 열린 국제제올라이트학회-국제메조구조물질학회 공동 심포지엄에서 진행됐다.
유 교수는 마이크로나노기공(0 nm<기공크기<2 nm)과 메조나노기공(2 nm<기공크기<50 nm)을 위계적으로 연결시킨 새로운 나노다공성 구조의 제올라이트 촉매 물질개발 연구로 학계에 커다란 주목을 받고 있다.
특히, 유 교수는 제올라이트 구조를 유도할 수 있는 관능기를 부착한 계면활성제 분자를 이용하는 새로운 방법을 통해 학술적으로 가능한 최소 결정 크기에 해당하는 ‘단일단위격자’ 약 2 nm 두께의 극미세 제올라이트 나노판 합성에 성공했고, 이렇게 합성한 물질을 석유화학 촉매로 이용하면 기존 제올라이트가 가지는 촉매로서의 수명을 5배 이상 연장시킬 수 있는 가능성을 제시했다.
학회는 이러한 유 교수의 최근 연구업적을 높이 평가해 2010년도 브렉상 수상자로 결정했다. 유 교수는 또한 같은 연구업적으로 지난 6월 호암재단으로부터 호암상을 수상한 바 있다.
2007년 정부로부터 국가과학자로 선정된 유 교수는 지금까지 총 190여 편에 이르는 연구논문 발표 및 12,000회를 상회하는 논문 피인용을 기록한 국가석학이자 세계적인 화학자이다.
※ 보충자료
Donald W. Breck Award
Donald W. Breck은 제올라이트 분자체 합성분야의 선구자이며, 국제제올라이트학회를 설립하는 데 큰 기여를 하였다. 특히, 1974년에 발행된 그의 저서 “Zeolite Molecular Sieves: Structure, Chemistry, and Use"는 현재까지도 제올라이트를 연구하는 수많은 과학자들의 지침서가 되고 있다. Breck Award는 그가 세상을 떠난 1980년 이후 그의 업적을 기념하려는 취지로 설립되었으며, 그의 소속회사였던 Union Carbide Corp.가 후원하였다. 1983년 제 6회 국제제올라이트학회를 시작으로 3년마다 열리는 국제제올라이트학회에서 ”제올라이트 과학 기술 발전에 중대한 공헌을 한 연구자 또는 연구자들“을 선정하여 수상하고 있다. 지난 30년 동안 총 10번의 수상식, 약 40여명의 수상자들을 배출하였고, 이 분야의 가장 권위 있고 영예로운 상으로서 ‘제올라이트 학계의 노벨상’으로 여겨지고 있다.
유룡 교수 약력
유룡 교수는 1955년도 경기 화성 출생으로 현재 한국과학기술원 화학과 특훈교수로 재직 중이다. 1977년도에 서울대학교 공업화학과에서 학사학위를 받았으며, 1979년도에는 한국과학기술원 화학과에서 석사학위를 받았다. 1986년 1월에는 스탠퍼드 대학교 화학과에서 Micelle Boudart 교수의 지도 하에 ‘제올라이트에 담지된 백금클러스터에 관한 연구’로 박사학위를 취득하였다. 그 후 버클리 소재 캘리포니아 주립대학교에서 Alex Pines 교수의 지도하에 고체상 핵자기 공명에 관한 연구주제로 박사 후 연수연구를 수행하다가 같은 해 11월 한국과학기술대학 화학과에 조교수로 부임하였다. 1990년에 한국과학기술대학이 한국과학기술원에 병합된 후 한국과학기술원 화학과에서 지금까지 부교수와 정교수를 거쳐서 현재 특훈교수로 재직하고 있다. 현재 국제 메조구조물질학회 운영위원, 영국왕립화학회 펠로우, Chemical Communications의 편집위원 활동 등 활발한 국제학술활동을 하고 있다. 2005년도에 ‘대한민국최고과학기술인’상을 수상하였고, 2006년도에 ‘닮고 싶고 되고 싶은 과학기술인’ 상 등 최근 여러 가지 상을 수상하였다. 특히, 2007년 5월에는 과학기술색인(ISI)을 관장하는 미국의 연구정보 전문업체인 톰슨과학사와 한국과학재단으로부터 “규칙적 나노다공성 탄소물질에 관한 연구 분야 개척”에 관한 공로를 인정받아 “세계수준급연구영역 개척한 한국의 과학자”로 선정되었다.
유룡 교수는 2007년 11월부터 대한민국 국가과학자로 선정되어 ‘기능성 나노물질 연구단’을 이끌며 나노구조 물질과 메조다공성 물질, 금속 나노입자의 합성과 물리화학적 특성 및 이러한 결과를 이용하여 미래의 에너지자원과 친환경적 화학공정 기술을 개발하려는 연구를 수행하고 있다. 주요 국제학술지에 지금까지 190여 편의 학술논문을 게재하였고, 이 논문들은 2010년 현재 12,000회에 가까운 피 인용 횟수를 기록하고 있다 (웹페이지 http://rryoo.kaist.ac.kr/를 참조).
2010.07.12 조회수 19503