금속-유기 골격체(MOFs): 탄소 포집, 청정 에너지 등 혁신을 앞둔 스펀지 같은 결정체

• MOF는 그램당 약 7,000 m^2에 달하는 세계 최고 수준의 내부 표면적을 가지며, 이론적으로는 최대 14,600 m^2/g까지 설계가 가능합니다.
• 약 20년 동안 연구자들은 거의 90,000개의 고유한 MOF 구조를 만들어냈으며, 이론적으로는 수십만 개가 더 예측되고 있습니다.
• MOF는 금속 노드와 유기 결합체로 구성된 다공성 결정성 네트워크로, 조절 가능한 3D 격자를 형성하여 분자 스펀지처럼 작동합니다.
• CALF-20은 아연 기반 MOF로, 산업 환경에서 세제곱미터당 하루 약 1톤의 CO2를 저장할 수 있습니다.
• ZnH-MFU-4l은 약 300°C의 고온 플루가스에서 CO2를 선택적으로 결합하여 90% 이상의 CO2를 포집하는 획기적인 고온 CO2 포집 MOF입니다.
• DCF-1은 2025년 중반 Decarbontek에서 출시한 저비용 MOF로, 산화아연과 구연산으로 만들어졌으며, 대량 생산 시 킬로그램당 약 10달러의 비용이 예상됩니다.
• Svante는 시멘트 공장에서 하루 약 1톤의 CO2를 포집할 수 있는 CALF-20 MOF 흡착 시스템을 시범 운영 중입니다.
• MOF-303은 알루미늄 기반의 물 수확 MOF로, 2023년 데스밸리에서 손에 들고 다닐 수 있는 수확기를 가능하게 했으며, 흡착된 물의 약 85~90%를 회수하여 하루에 킬로그램당 최대 285그램을 공급했습니다.
• 2022년에 시작된 EU MOST-H2 프로젝트는 AI를 활용해 수소 저장용 MOF를 선별하고 있으며, 2025년까지 10,000개 이상의 구조를 선별하고, 프로토타입이 극저온 조건에서 DOE 목표를 달성했다고 보고했습니다.
• MIL-101(Cr)은 아세트산 처리를 통해 기공 크기를 약 2.5nm에서 5nm로 확장할 수 있어, 이부프로펜과 5-플루오로우라실의 적재량이 증가하고 방출 속도가 빨라집니다.

첨단 소재와 지속가능성의 게임 체인저

상상해보세요. 내부 표면적이 너무 커서 한 줌만으로도 축구장 여섯 개에 해당하는 면적을 가진 물질을 말입니다 news.berkeley.edu. 이러한 금속-유기 골격체(MOFs)는 금속 노드와 유기 연결체가 결합하여 분자 수준에서 스펀지와 같은 네트워크를 형성하는 다공성 결정 화합물입니다. 과학자들은 MOF가 맞춤형 특성을 가진 구조를 설계할 수 있는 “사실상 무한한 가능성”을 지녔다고 평가합니다 cas.org. 지난 20년 동안 MOF 연구는 폭발적으로 증가하여, 거의 90,000개의 고유한 MOF 구조가 만들어졌고(이론적으로는 수십만 개 이상이 예측됨) cas.org. 이러한 급증은 MOF가 지속 가능성과 기술 분야의 중요한 과제를 해결할 수 있다는 기대에서 비롯됩니다. 기후를 가열하는 이산화탄소 포집, 청정 수소 연료 저장, 약물 전달, 사막 공기에서의 물 수확 등 MOF는 에너지와 환경에서 생명과학에 이르기까지 다양한 분야에서 획기적인 돌파구를 이끌 것으로 기대됩니다 cas.orgcas.org. 이 보고서에서는 MOF가 무엇인지, 어떻게 작동하고 만들어지는지, 그리고 왜 혁신적이라고 여겨지는지를 설명합니다. 탄소 포집, 수소 저장, 약물 전달, 센서, 물 수확 등 주요 응용 분야를 살펴보고, 최근의 과학적 돌파구, 실제 적용 사례, 전문가 의견을 조명합니다. 미국, 유럽, 중국 등 전 세계 동향과 최신 발전을 살펴보며, MOF가 왜 게임 체인저 소재로 여겨지는지 확인할 것입니다. 더 지속 가능한 미래를 위해.

MOF란 무엇인가? 기록적인 표면적을 가진 다공성 결정체

금속-유기 골격체(MOFs)는 분자형 틴커토이처럼 만들어진 독특한 종류의 물질입니다. 이들은 중심 역할을 하는 금속 이온 또는 클러스터와, 이를 연결하는 유기 분자(리간드)로 구성되어 있습니다. 이러한 구성 요소들은 스스로 조립되어 열린 우리 모양의 결정 격자를 형성하는데, 본질적으로 3차원 다공성 네트워크가 배위 결합에 의해 유지됩니다 cas.org. 그 결과는 결정성 스펀지입니다. MOF는 매우 높은 다공성과 표면적을 가지므로 내부에 다른 분자가 들어갈 수 있는 작은 공동과 통로가 가득 차 있습니다. 실제로 MOF는 물질 중 세계 최고 수준의 표면적을 자랑하며, 일부는 그램당 약 7,000 m^2, 이론적으로는 14,600 m^2/g까지 가능합니다 cas.org. 이를 쉽게 설명하면, 일반적인 MOF 한 스푼만으로도 내부 표면적이 축구장 여러 개 크기에 달할 수 있습니다. 이는 가스나 다른 분자를 흡착할 수 있는 풍부한 공간을 제공합니다 news.berkeley.edu.

이 방대한 내부 표면적과 조절 가능한 기공 구조가 MOF를 특별하게 만듭니다. 금속 노드나 유기 연결체를 바꿈으로써, 화학자들은 기공 크기, 모양, 화학적 기능이 맞춤화된 다양한 MOF를 만들 수 있습니다 cas.org. 거의 모든 조합이 가능합니다. 이 분야의 개척자인 오마르 야기 교수(1990년대에 MOF를 처음 합성함)는 수만 종의 MOF가 이미 만들어졌고, “수십만 종 이상”이 알고리즘에 의해 예측된다고 언급했습니다 cas.org. 이러한 모듈형 “망상(reticular)” 설계 전략 덕분에 과학자들은 사실상 주문 제작하듯 물질을 설계할 수 있습니다. 예를 들어, MOF는 적절한 빌딩 블록을 선택함으로써 CO₂ 분자를 선호해 포집하거나, 독성 물질이 있을 때 빛을 내도록 설계할 수 있습니다. 이처럼 다양한 구조가 가능하다는 점은 한편으로는 도전 과제이기도 합니다. 너무 많은 구조가 존재해, 특정 용도에 가장 적합한 MOF를 예측하기 어렵기 때문입니다 cas.org. (연구자들은 MOF 데이터베이스를 분석하고 가장 유망한 후보를 제안하기 위해 AI와 머신러닝을 점점 더 많이 활용하고 있습니다. 이 점은 뒤에서 다시 다룰 예정입니다 cas.org.)

요약하자면, MOF는 나노스케일에서 초미세 스펀지 또는 골조와 같습니다. 무기물과 유기물 조각이 반복 가능한 격자로 결합되어 대부분이 빈 공간인 고체 물질이 됩니다. 그 빈 기공에는 외부 분자가 들어갈 수 있습니다. 중요한 점은, MOF는 일반적으로 초기 용매 “손님”이 제거된 후에도 견고함을 유지한다는 것입니다. 즉, 빈 프레임워크가 그대로 남아 기공성을 유지하며, 새로운 분자를 흡착하고 적절한 조건에서 방출할 준비가 되어 있습니다 en.wikipedia.org. 이러한 가역적인 흡착과 방출이 가스 저장부터 약물 전달까지 다양한 응용의 핵심입니다. UC 버클리의 화학자 Dr. Kurtis Carsch는 다음과 같이 설명합니다: “MOF는 독특한 구조 덕분에 적절한 조건에서 CO₂를 포집하고 방출할 수 있는 부위가 매우 많습니다” news.berkeley.edu – 또는 이와 유사하게 다른 분자도 포집하고 방출할 수 있습니다. 본질적으로 MOF는 거대한 표면적으로 인한 높은 용량, 화학적 설계에 따른 조정 가능성, 그리고 가역성이라는 전례 없는 조합을 제공하여, 재료 과학에서 강력한 플랫폼이 되고 있습니다.

MOF는 어떻게 만들어지고, 어떻게 작동할까?

MOF 합성은 그 복잡한 구조에 비해 종종 더 간단합니다. 일반적으로 과학자들은 금속 원천(예: 금속 염)과 유기 결합체 분자를 용매에 녹인 뒤, 천천히 혼합하거나 가열 또는 증발시켜 결정 생성을 유도합니다. 금속 이온과 결합체는 자발적으로 결합하여 질서정연한 프레임워크로 결정화됩니다 – 설탕 용액에서 록캔디가 석출되는 것처럼, 하지만 분자 수준에서 MOF 결정이 자라나는 것과 같습니다. 많은 MOF는 용매열법(재료를 밀폐 용기에서 가열)으로 만들어지지만, 최근에는 마이크로파 보조 합성, 분무 건조, 심지어 용매 없이 기계적으로 분쇄하는 방법도 있습니다. 주목할 점은 MOF가 비교적 온화한 조건에서도 자가 조립될 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 최근 개발된 탄소 포집 MOF인 DCF-1은 산화아연과 구연산을 물에 섞기만 해도 합성됩니다 – “안전하고 지속 가능하며 특허 출원 중인 방법”으로, 고성능 MOF를 저렴하게 생산할 수 있습니다 businesswire.com. 이는 연구자들이 비용을 낮추고 유해 화학물질을 피하기 위해 생산 방법을 개선하고 있음을 보여줍니다. MOF 결정은 나노미터에서 밀리미터 크기까지 다양하며, 실제 사용을 위해 보통 분말로 가공하거나 펠릿, 멤브레인 형태로 만듭니다.

MOF의 작동 원리는 흡착과 선택성에 달려 있습니다. 이들의 기공은 작은 저장 사물함 또는 분자 덫처럼 작동합니다. MOF가 가스나 액체에 노출되면, 목표 분자가 기공 안으로 들어가 내부 표면에 달라붙을 수 있습니다(반데르발스 힘, 특정 부위에서의 화학적 상호작용 등). MOF는 내부 표면적이 매우 넓고 특정 분자와 결합하는 화학적 그룹을 자주 가지고 있기 때문에, 놀라울 정도로 많은 양을 흡수할 수 있습니다. 예를 들어, 한 MOF(CALF-20, 아연 기반 프레임워크)는 산업 조건에서 재료 1세제곱미터당 하루에 약 1톤의 CO₂를 저장할 수 있습니다 businesswire.com – 본질적으로 이산화탄소를 위한 거대한 스펀지처럼 작동합니다. 하지만, 흡착은 보통 가역적입니다: 조건을 바꾸면(MOF를 가열하거나, 압력을 낮추거나, 다른 가스로 세척하면) 갇혀 있던 분자가 방출(탈착)되고 MOF는 또 다른 주기를 위해 재생됩니다 news.berkeley.edu. 이러한 순환적인 포집-방출 과정은 MOF를 여러 번 재사용해야 하는 탄소 포집이나 가스 저장과 같은 응용 분야에서 매우 중요합니다. CO₂ 포집 예시에서, MOF가 CO₂로 포화되면, “CO₂는 부분 압력을 낮추거나, 다른 가스로 세척하거나, 진공 상태로 만들어 제거할 수 있습니다. 그 후 MOF는 또 다른 흡착 주기를 위해 재사용할 준비가 됩니다” news.berkeley.edu.

각 MOF의 내부 화학 구조는 특정 분자를 더 선호하도록 조정할 수 있어, 매우 높은 선택성을 가집니다. 일부 MOF는 기공 내에 특정 가스를 위한 갈고리처럼 작용하는 노출된 금속 부위나 작용기를 가지고 있습니다. 다른 MOF는 목표물(예: CO₂)과 반응하는 분자(예: 아민 또는 구리 부위)로 장식되어 있습니다. 이러한 조정 가능성은 큰 장점입니다 – 고정된 특성을 가진 기존 다공성 재료(예: 활성탄이나 제올라이트)와 달리, MOF는 맞춤 설계가 가능합니다. “이들의 조정 가능한 특성이 핵심 요소입니다,”라고 CAS Insights 보고서는 언급합니다. “높은 표면적과 다공성, 그리고 조절 가능한 화학적 특성이 결합되어 MOF는 가스 및 휘발성 화합물을 흡착할 수 있으며, 특히 CO₂의 가스 분리 및 저장에 엄청난 관심을 받고 있습니다” cas.org. 요약하면, MOF는 나노 크기의 기공에 분자를 선택적으로 가두는 방식으로 작동합니다 – 마치 분자로 만든 체나 필터처럼 – 그리고 나중에 자극을 주면 그 화물을 방출할 수 있습니다. 이 단순한 개념이 우리가 논의할 다양한 용도의 기반이 됩니다. 예를 들어, 배기가스에서 CO₂를 제거하거나, 수소 연료를 더 조밀하게 저장하거나, 혈류 내에서 약물 분자를 운반하는 것 등이 있습니다.

MOF의 주요 응용 분야

MOF의 독특한 스펀지 같은 특성은 이들을 놀라울 정도로 다양한 분야에 유용하게 만듭니다. 아래에서는 오늘날 주목받고 있는 가장 영향력 있는 활용 사례들과, 각 분야에서의 최근 돌파구 및 예시들을 살펴봅니다.

탄소 포집 및 기후 완화

MOF의 가장 시급한 응용 분야 중 하나는 발전소의 배기가스나 심지어 대기 중에서 직접 이산화탄소를 포집하는 것입니다. CO₂ 배출을 줄이는 것은 기후 변화에 맞서 싸우는 데 매우 중요하며, MOF는 “탄소 포집을 위한 가장 유망한 소재 중 하나”로 부상하고 있습니다. 이는 MOF가 기존 방식보다 더 높은 효율과 더 낮은 에너지 비용으로 CO₂를 흡수할 수 있기 때문입니다 ccarbon.info. 기존의 탄소 포집 기술은 액체 아민 용액을 사용해 CO₂를 결합하지만, 아민은 부식성이 강하고 재생에 많은 에너지가 들며, 일반적으로 비교적 낮은 온도(약 40~60°C)에서만 작동합니다. 하지만 많은 산업용 배기가스는 훨씬 더 뜨겁습니다(시멘트 및 제철소의 배기가스는 200~300°C를 넘기도 함). 이 때문에 탄소 포집이 어렵고, 가스를 먼저 냉각해야 하므로 비용이 많이 듭니다 news.berkeley.edu. MOF는 획기적인 진전을 제시합니다. MOF는 혹독한 조건에서도 CO₂를 포집하도록 설계할 수 있고, 적당한 가열이나 압력 변화만으로 CO₂를 방출할 수 있어 아민 스크러버보다 훨씬 적은 에너지로 전체 과정을 수행할 수 있습니다 ccarbon.info.

2024년 말, UC 버클리의 화학자들은 냉각 없이 고온의 플루 가스에서 CO₂를 포집할 수 있는 획기적인 MOF를 발표했다. 이 물질은 ZnH-MFU-4l로 알려져 있으며, 기공 내부에 아연 하이드라이드 부위를 포함하고 있어 고온에서 CO₂를 강하게 결합한다. “우리는 MOF가 전례 없는 고온, 즉 많은 CO₂ 배출 공정과 관련된 온도에서 이산화탄소를 포집할 수 있다는 사실을 발견했습니다.”라고 연구의 공동 제1저자인 커티스 카쉬 박사는 말했다. “이것은 다공성 물질로는 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 일입니다.” news.berkeley.edu 모의 배기가스 조건에서 이 MOF는 약 300°C에서 CO₂를 선택적으로 포집(시멘트/철강 플루 가스의 일반적인 온도)하고, 유입 가스의 90% 이상의 CO₂를 포집(“딥 카본 캡처”)하여 액체 아민과 견줄 만한 성능을 보였다 news.berkeley.edu. 이러한 고온 작동은 배출가스를 냉각하기 위해 에너지와 물을 소비할 필요를 없애 news.berkeley.edu, 철강 및 시멘트와 같은 “탈탄소화가 어려운” 산업에서 탄소 포집을 실현 가능하게 만들 수 있다. “엔트로피는 온도가 높아질수록 CO₂와 같은 분자가 기체 상태에 머무는 것을 선호하기 때문에, 일반적으로 200°C 이상의 온도에서 다공성 고체로 이러한 분자를 포집하는 것은 불가능하다고 여겨졌습니다,”라고 연구를 이끈 제프리 롱 교수가 언급했다. “이번 연구는 올바른 기능성을 적용하면… 300°C에서도 CO₂의 고용량 포집이 실제로 가능하다는 것을 보여줍니다.” news.berkeley.edu 이번 발견은 차세대 탄소 포집 소재를 위한 새로운 설계 경로(MOF 내 금속 하이드라이드 부위 활용)를 열었다 news.berkeley.edu.MOF들은 더 전통적인 CO₂ 포집 역할에서도 두각을 나타내고 있다. 스타트업과 기업의 관심이 급증했다: 엑슨모빌은 탄소 포집을 위한 MOF 기술에 대한 특허를 출원했으며 cas.org, 사우디아라비아의 카우스트 연구진은 CO₂ 포집 및 가스 분리를 위한 MOF에 대한 특허를 취득했다 cas.org. 수많은 스타트업들이 MOF 기반 CO₂ 필터의 상용화를 위해 경쟁하고 있다. 예를 들어, 누아다(EU 기반 스타트업)는 시멘트 제조업체가 배기가스에서 CO₂를 포집할 수 있도록 MOF 시스템을 연구 중이다 cas.org. 또 다른 회사인 모자이크 머티리얼즈는 CO₂ 포집을 위한 아민 기능화 MOF를 개발했으며, 이 기술은 2022년 에너지 기술 기업인 베이커 휴즈에 인수되어 대규모 상용화가 추진되고 있다 news.berkeley.edu. 모자이크의 MOF는 액체 아민의 대안으로 파일럿 테스트 중이며, 심지어 직접 공기 포집(direct air capture)에도 적용되고 있다 news.berkeley.edu.2025년 중반에, Decarbontek, Inc.는 탄소 포집을 위한 MOF 흡착제를 상업적으로 생산하고 있다고 발표했습니다. 이 회사는 DCF-1(De-Carbon Framework-1)을 출시하며, 이를 “확장 가능한 탄소 포집을 위해 설계된 혁신적이고 저비용, 고성능 MOF”라고 소개했으며, 이제 킬로그램 단위로 구매할 수 있습니다 ccarbon.info. “DCF-1 출시로 우리는 탄소 포집 소재의 새로운 기준을 제시하고 있습니다,”라고 Decarbontek의 CEO인 Dr. Yong Ding이 말했습니다. “비용 효율적이고, 제조가 쉽고, 매우 효율적이어서 산업 전반에 걸쳐 탄소 포집을 실현할 수 있습니다.” businesswire.com DCF-1은 (일반적인 산화아연과 구연산을 사용하여) 저렴하게 생산할 수 있으며, 대량 생산 시 킬로그램당 약 10달러의 비용을 목표로 하고 있습니다. “일반적인 분자체와 비슷한 수준”이라고 Ding은 밝혔습니다 businesswire.com. 이는 MOF가 대량 사용에는 너무 비싸다고 여겨졌던 오랜 인식에 비추어 볼 때 중요한데, 저비용·간편 제조 MOF는 도입의 주요 장벽을 제거할 수 있습니다 ccarbon.info. 이 소재는 높은 CO₂ 흡착력과 무독성, 수계 생산 공정을 결합한 것으로 알려져 있으며, 공장에 레트로핏하거나 심지어 대기 중에서 CO₂를 포집하는 데 이상적입니다 businesswire.com. Decarbontek의 제품과 이와 유사한 제품들은 MOF 기술이 탄소 포집 분야에서 실험실을 넘어 시장으로 진입하고 있음을 보여줍니다.

아마도 진보의 가장 눈에 띄는 징후는 파일럿 프로젝트에서 볼 수 있습니다: Svante라는 캐나다 회사는 MOF 흡착제(CALF-20, BASF에서 제조)를 사용하여 시멘트 공장의 배기가스에서 하루 약 1톤의 CO₂를 포집하는 시범 시스템을 운영하고 있습니다businesswire.com. 이 실제 테스트는 MOF가 산업용 가스 스트림을 처리할 수 있고 현장 조건에서도 실제로 성능을 발휘할 수 있음을 보여줍니다. 이러한 발전은 MOF가 곧 전 세계 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 노력에서 핵심 역할을 할 수 있음을 시사하며, 산업계의 CO₂ 배출 감축에 기여할 것입니다. 탄소 포집이 기후 변화 완화(특히 쉽게 전기화할 수 없는 분야에서)에 필수적이라는 점을 감안할 때, MOF는 탈탄소화의 ‘기적의 소재’ 혁신으로 널리 인식되고 있습니다news.berkeley.edu, energiesmedia.com. 더 높은 효율성과 더 낮은 에너지 손실을 제공함으로써, MOF 기반 탄소 포집은 CCUS의 광범위한 도입을 가능하게 할 수 있으며, 이는 재생에너지가 확대되는 동안 넷제로 미래로 가는 중요한 교량 역할을 합니다. 요약하자면, MOF는 공장 굴뚝에서 대기 중까지 CO₂를 다루는 강력한 새로운 도구 상자를 제공하며, 이 때문에 이 응용 분야가 MOF 연구 및 상용화에서 가장 뜨거운 초점으로 남아 있습니다.

수소 저장 및 청정 에너지

MOF가 현재의 에너지 시스템에서 탄소를 제거하는 데 도움을 줄 수 있다면, 미래에는 수소와 같은 청정 에너지 운반체를 가능하게 할 준비도 되어 있습니다. 수소(H₂)는 유망한 무탄소 연료(연소 시 물만 생성)지만, 효율적으로 저장하는 것은 큰 도전 과제입니다. H₂는 매우 낮은 밀도의 기체이기 때문에 압축하거나 액화하는 데 많은 에너지가 들고 무거운 탱크가 필요합니다. MOF는 흡착을 통해 수소를 작고 안전한 형태로 저장할 수 있는 방법을 제공합니다. 본질적으로, 수소 기체는 MOF의 기공에 고밀도로(특히 저온에서) 계란판에 계란을 담듯이 저장할 수 있고, 필요할 때 방출할 수 있습니다. 미국 에너지부 등은 수소 저장 소재(저장된 H₂의 중량 비율 및 부피)에 대한 목표를 설정했으며, 일부 MOF는 극저온에서 이 목표에 근접하거나 초과 달성한 바 있습니다.

유럽에서는 MOF를 수소 저장에 활용하기 위한 공동 노력이 진행 중이다. EU가 자금을 지원하는 MOST-H2 프로젝트(2022년 시작)는 첨단 MOF를 이용한 극저온 흡착 수소 저장 시스템을 개발하고 있다 cordis.europa.eu. 극저온 흡착에서는 수소 가스를 냉각(일반적으로 액체 질소 범위, 약 77K)하여 다공성 물질에 흡착시켜 극한의 압력 없이도 높은 밀도를 달성한다. 이 프로젝트의 “비밀 무기는 MOF라 불리는 특수한 종류의 다공성 결정성 물질”이며, 이를 체적 및 중량 용량이 최적화된 단일체 MOF 흡착제로 성형하고 있다 cordis.europa.eu. 2025년까지 MOST-H2 연구진은 “상당한 진전”을 보고했으며, AI 기반 스크리닝과 실험을 결합해 중량 및 체적 수소 저장 용량 모두에서 널리 인정받는 목표를 능가하는 새로운 MOF 화합물을 찾아냈다 cordis.europa.eu. 이러한 혁신은 특허 출원을 통해 확보되었으며 cordis.europa.eu, 그 참신함을 강조한다. 실제로, 연구팀의 MOF 프로토타입은 극저온 조건에서 수소를 고밀도로 저장할 수 있으며, 취급이 쉽고 안전한(극고압이 필요 없음) 소재이고 “환경 발자국이 매우 작다” cordis.europa.eu. 궁극적인 목표는 이 MOF를 완전한 “실험실에서 탱크까지” 수소 저장 솔루션에 통합하는 것이며, 수소차와 같은 응용 분야(오스트리아와 이탈리아의 수소 열차 사례 연구를 진행 중)에서 활용하는 것이다 cordis.europa.eu.

이 노력의 주목할 만한 측면 중 하나는 기계 학습을 활용하여 발견을 가속화한 것이다. MOST-H2 프로젝트는 수소 흡착에 최적인 MOF 구조를 예측하는 AI 도구를 개발하여 “고성능 소재의 견고한 데이터베이스”를 만들었고, 계산적 방법이 MOF 개발을 어떻게 재편할 수 있는지 보여주었다 cordis.europa.eu. 1만 개가 넘는 MOF 구조를 가상으로 선별한 뒤, 상위 후보를 실험실에서 테스트함으로써, 팀은 여러 우수한 성능의 소재를 신속히 특허화할 수 있었다 cordis.europa.eu. 이 접근법은 소재 연구개발에서 일반적으로 필요한 시행착오를 크게 줄여준다. 그 결과, 프로젝트의 MOF들은 실용적인 연료탱크에 요구되는 엄격한 저장 목표를 충족하거나 초과 달성할 것으로 기대되며, 여러 사이클 동안 비용 효율성과 안정성도 유지된다 cordis.europa.eu. MOF 기반 탱크 설계는 또한 첨단 열 및 질량 전달 모델링과 수명주기 분석을 통해 최적화되고 있어, 실제 차량에 대규모로 적용 및 통합될 수 있도록 하고 있다 cordis.europa.eu.

이 프로젝트 외에도, 다른 연구자들은 놀라운 수소 흡착 능력을 가진 MOF를 입증해왔다. 예를 들어, MOF-74(잘 알려진 프레임워크)은 77K에서 어떤 무가압 탱크보다 더 많은 수소를 흡수할 수 있어, MOF가 수소 저장의 병목을 해소할 가능성을 보여준다 innovations-report.com. 일반적인 전략은 극저온 근처에서 운용하는 것인데, 이는 에너지가 많이 들 것처럼 보이지만, 영리한 단열이나 액체 수소의 자연 증발 냉각을 활용하면 실현 가능하다. 그 대가는 경량 고용량 수소 탱크로, 연료전지 자동차, 버스, 항공기에 700바 압축이나 매우 무거운 용기가 필요 없게 된다. 이러한 탱크는 MOF 입자가 중간 압력에서 안전하게 수소를 저장하는 “고체 상태” 수소 배터리가 될 수 있다. 연구자들은 또한 상온 수소 저장을 위한 MOF도 탐구 중이지만, 아직 어떤 소재도 DOE의 모든 목표를 상온에서 충족하지는 못하고 있다.

요약하자면, MOF는 수소 저장 문제를 해결하는 데 최전선에 있습니다. 이들은 흡착을 통해 수소 분자를 조밀하게 포장하는 나노 스펀지처럼 작용하여, 주어진 압력과 부피에서 더 많은 수소를 저장할 수 있게 합니다. 현재 MOF와 극저온 냉각을 결합하면 기록적인 저장 용량을 보여주고 있습니다. – 일부 경우에는 액체 수소가 단위 부피당 달성할 수 있는 양을 초과하여, 수소차가 한 번 주유로 더 멀리 주행하고 더 빠르게 재충전할 수 있게 할 수 있습니다. 운송, 전력망 저장, 산업 등에서 청정 에너지 운반체로서 수소에 대한 전 세계적 관심이 높아지는 가운데, MOF 기반 탱크와 같은 발전은 매우 중요합니다. 특허가 출원되고 EU 등지에서 수년간의 프로젝트가 자금을 지원받고 있다는 사실은 MOF가 수소 경제에서 핵심 역할을 할 것이라는 신뢰를 보여줍니다. 한 EU 보고서에 따르면, 이러한 혁신적 소재는 유럽의 기후 목표를 위한 “저렴하고, 효율적이며, 환경 친화적인 수소 저장 솔루션”을 약속한다고 합니다 cordis.europa.eu – 이는 각국이 H₂ 인프라에 투자함에 따라 전 세계적으로 공감을 얻는 발언입니다.

약물 전달 및 생의학적 응용

MOF는 에너지와 환경 분야뿐만 아니라 생의학에서도 새로운 약물 전달 시스템 및 영상 조영제로 주목받고 있습니다. 제약 분야에서 MOF는 치료 분자를 위한 나노스케일 운반체로 작용할 수 있습니다. 즉, 약물(소분자, 단백질, 또는 핵산 등)이 MOF의 기공에 적재되어 MOF 케이지에 의해 보호받으며 체내를 운반될 수 있습니다. 다공성 프레임워크는 때때로 약물을 조기 분해로부터 보호하거나, 특정 위치에서 방출을 유도하거나, 느리고 조절된 방출을 가능하게 할 수 있습니다. MOF는 심지어 자극(예: pH 또는 빛)에 반응하여 약물 방출을 유도하도록 설계될 수도 있습니다 jnanobiotechnology.biomedcentral.com. 이는 나노의학 분야에서 급성장 중인 연구 영역입니다.

MOF의 한 가지 장점은 높은 적재 용량입니다. — 엄청난 표면적으로 인해, MOF는 무게에 비해 많은 약물을 운반할 수 있습니다. 또한, 많은 MOF는 생체적합성 성분(예: 아연 또는 철 노드와 식용 유기산)으로 만들 수 있어, 체내에서 무독성 부산물로 분해될 수 있습니다 cas.org. 실제로 일부 MOF는 생체 친화적이고 생분해성이어서, 살아있는 유기체에 사용하기에 매력적입니다 cas.org. 연구자들은 혈류 주입이나 세포 전달을 위해 설계된 매우 작은 MOF 입자(일반적으로 50~200나노미터)를 “나노-MOF”라고 명명했습니다 injection into the bloodstream or cellular delivery axial.acs.org. 이러한 나노-MOF 중 일부는 암 치료를 위한 임상 시험 단계까지 진전되었습니다 axial.acs.org — 예를 들어, 화학요법 약물의 운반체나 방사선 치료 증강제로 사용됩니다. 이는 의학 분야에서 MOF가 플랫폼으로서 지닌 실질적인 잠재력을 보여줍니다.

2024년의 최근 연구에서는 간단한 화학적 조정이 MOF의 약물 전달 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는지 보여주었습니다. 마이애미 대학교의 과학자들은 MIL-101(Cr)(큰 기공을 가진 크롬 기반 프레임워크)라는 잘 알려진 MOF를 추가 합성 단계로 효과적으로 “부풀렸습니다” acs.org. 그들은 MOF 결정에 약간의 아세트산(식초와 유사한)을 처리하여 기공 크기를 약 2.5nm에서 5nm로 확장시켜 내부 표면적을 증가시켰습니다 acs.org. 이렇게 “기공이 확장된” MOF 입자들은 두 가지 모델 약물인 이부프로펜(항염증제)과 5-플루오로우라실(항암제)로 적재되어 용량과 방출 속도를 테스트했습니다. 결과는 놀라웠습니다: “부풀린 MOF는 원래 버전보다 더 많은 이부프로펜 또는 항암제를 보유했고, 잠재적 약물 전달체로서의 성능이 향상되었습니다.” acs.org 기공이 더 커졌기 때문에 더 많은 약물 분자가 내부에 들어갈 수 있었고, 실제로 변형된 MOF는 변형되지 않은 MIL-101보다 두 약물을 더 많이 흡수했습니다 acs.org. 또한 방출 실험에서, 확장된 기공의 MOF는 원래보다 훨씬 더 빠르게 약물을 방출했는데, 이는 더 큰 개구부가 분자가 빠져나갈 수 있는 넓은 “문” 역할을 했기 때문입니다 acs.org. 빠른 방출은 치료 수준에 신속히 도달하는 데 유리할 수 있으며, 반면에 느린 방출은 다른 변형을 통해 달성할 수 있습니다. 연구진은 이 간단한 산세척 방법이 다양한 요구에 맞게 MOF의 전달 특성을 조절하는 방법으로 보고 있습니다 acs.org. 그들이 언급했듯이, “이러한 간단한 변화만으로도 미래의 약물 전달 응용에서 MOF의 효율성을 극대화할 수 있다”고 하며, 현재 진행 중인 연구에서는 기공 구조를 맞춤화하여 특정 시간 동안 느리고 지속적인 방출을 달성하는 방법을 탐구하고 있습니다 acs.org.

이것은 많은 예 중 하나일 뿐입니다. 다른 연구들에서는 MOF가 여러 약물을 동시에 운반하거나, 단백질이나 RNA와 같은 섬세한 생체분자를 보호하거나, 심지어 종양에 표적 전달(MOF에 표적 리간드를 부착하여)을 촉진할 수 있음을 보여주었습니다. 금속 중심을 자유롭게 조합할 수 있기 때문에, 연구자들은 금속의 선택이 방출 속도에 영향을 줄 수 있다는 사실을 발견했습니다. 예를 들어, 한 연구에서는 마그네슘으로 만든 MOF가 지르코늄으로 만든 MOF보다 시험 약물을 더 빠르게 방출한다는 것을 밝혀, 더 잘 용해되는 금속 노드가 프레임워크의 분해와 약물 방출을 더 빠르게 유도함을 시사했습니다 axial.acs.org. 이러한 통찰은 “주문형” 약물 방출 및 테라노스틱스(치료 + 진단)을 위한 MOF 설계를 이끌고 있습니다. 특히, MOF는 조영제나 이미징 프로브로도 사용될 수 있습니다. 일부는 발광 란타넘족 또는 방사성 동위원소를 추적용으로 포함하고, 다른 것들은 MRI 신호를 향상시킵니다. 특정 MOF의 발광 특성 덕분에 바이오마커나 환경 독소를 형광 변화로 감지할 수 있는 바이오센서도 개발되었습니다 cas.org. 이는 약물 전달과 센싱의 경계를 흐리게 합니다.

중요하게도, 초기 안전성 연구에 따르면 적절히 조제된 MOF는 체내에서 비독성이고 생분해성일 수 있습니다 cas.org. 예를 들어, 식품 등급의 연결체와 함께 철이나 아연으로 만든 MOF는 영양소로 분해되거나 배출될 수 있습니다. 이러한 생체적합성, 높은 적재 용량, 그리고 다재다능함이 결합되어 전문가들은 MOF를 “유망한 신개념 스마트 약물 운반체”로 평가하고 있습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 아직 MOF 기반 약물이 시판된 적은 없지만, 현재 진행 중인 임상시험은 머지않아 상용화될 것임을 시사합니다. 가까운 미래에는 MOF 나노입자가 항암제를 암세포에 더 직접적으로 전달하여 부작용을 줄이거나, 체내 독성 물질을 흡수하는 “나노 해독제”로 작용할 수도 있습니다. 연구의 추진력은 강력합니다. 한 리뷰에서는 암, HIV, 당뇨병 등을 위한 수십 가지 MOF 약물 전달 시스템이 연구 중임을 집계했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 이러한 노력이 성공한다면, MOF는 정밀의학의 새로운 시대를 열 수 있습니다. 이때 치료는 단순히 약물 분자에 국한되지 않고, 그것을 운반하는 스마트한 운반체까지 포함하게 됩니다.

센서 및 검출

조절 가능한 화학적 특성과 종종 고유한 발광 특성 덕분에, MOF는 화학 센서에서 강력한 구성요소로 부상했습니다. MOF의 구조에 아주 작은 변화—예를 들어, 게스트 분자가 결합하거나 전자가 이동하는 것—도 감지 가능한 광학적 또는 전기적 신호로 변환될 수 있습니다. 이는 MOF가 환경, 식품, 심지어 인체 내의 미량 화합물 감지에 탁월하게 만듭니다. 연구자들은 다양한 표적을 위한 MOF 기반 센서를 개발했습니다: 중금속 이온, 폭발물(예: TNT 증기), 유해 산업 가스, 질병 바이오마커 등이 그 예입니다 sciencedirect.com, pubs.rsc.org.

가장 널리 사용되는 접근법 중 하나는 발광 MOF(종종 LMOF라고도 함)입니다. 이들은 자연적으로 형광 또는 인광을 띠거나, 형광 분자/금속 이온으로 도핑된 MOF입니다. 표적 분석물이 MOF의 기공에 들어오면, 발광이 변화할 수 있습니다—예를 들어 소멸되거나, 증강되거나, 색이 변할 수 있습니다. 예를 들어, 란타넘 금속을 포함한 특정 MOF는 밝은 신호를 방출하며, 이는 특정 화학물질에 의해 선택적으로 소멸되어 매우 낮은 농도에서도 해당 화학물질을 감지할 수 있습니다 pubs.rsc.org. 알루미늄과 같은 금속 이온이 결합할 때만 빛나는(턴온 센서) MOF pubs.acs.org나, pH 또는 산소에 따라 색이 변하는 센서도 있습니다. MOF는 모듈식 구조를 가지고 있기 때문에, 센서 설계자는 인식 부위를 프레임워크에 직접 통합할 수 있습니다. 오염물질 분자에 딱 맞는 결합 포켓을 가진 MOF를 상상해 보세요—오염물질이 포획되면, 전자 또는 에너지 전달이 일어나 MOF의 형광이 어두워지거나 색이 변합니다. 이러한 특이성은 센싱에서 매우 중요하게 여겨집니다.

MOF 센서의 주요 장점 중 하나는 매우 민감하고 선택적이면서도 안정적으로 제작될 수 있다는 점입니다. MOF는 다양한 환경에서 작동할 수 있으며(일부는 수중 감지를 위해 물에도 안정적임), 연구자들은 소변이나 혈액과 같은 복잡한 체액에서 바이오마커를 한 번에 걸러내고 포획할 수 있는 MOF 기반 센서도 개발했습니다 sciencedirect.com. 또 다른 흥미로운 분야는 전기화학적 MOF 센서입니다: 전도성 MOF 또는 복합체는 가스나 증기가 흡착될 때 전류 신호를 생성하여, 새로운 형태의 “전자 코”처럼 작동할 수 있습니다 orcasia.org.

중요하게도, 많은 MOF는 비교적 무해한 성분으로 만들어지기 때문에, 이를 소비자용 또는 생의학 센서에 사용하는 것이 가능합니다. 한 CAS 분석가는 일부 MOF가 바이오센서로서 매우 유용할 수 있다고 언급했는데, 그 이유는 일부 MOF가 “저독성이고 생분해성”이기 때문이며, 특히 발광 기반 검출에 사용되는 MOF가 그렇다고 합니다 cas.org. 이는 MOF로 코팅된 프로브가 언젠가 인체 내(in vivo)에서 상태를 모니터링하는 데 사용될 수 있음을 의미하며, MOF 입자가 사용 후 안전하게 용해되는 진단 테스트의 일부가 될 수도 있습니다. 이미 MOF 센서는 수중 유해 중금속(MOF가 수은 또는 납 존재 시 형광을 발하는 방식) pubs.acs.org, 식품 오염물질(MOF의 발광이 변화하는 농약 또는 항생제) sciencedirect.com, 심지어 호흡 분석을 위한 웨어러블 센서 등 다양한 분야에서 테스트되고 있습니다.

개발 중인 한 예로는 폭발물 및 화학전 물질 감지를 위한 MOF 기반 센서 어레이가 있습니다. 여러 MOF를 각각 다른 화학적 구조에 반응하도록 조정하면, 어레이는 특정 물질에 대해 고유한 지문(fingerprint)을 생성할 수 있습니다(우리의 코가 냄새를 구분하는 방식과 유사). 또 다른 예로, 연구자들은 육류 부패에서 발생하는 아민 증기를 감지하여 상한 음식을 빠르게 표시할 수 있는 발광 MOF 센서를 개발했으며, 이는 색상 변화를 지표로 제공합니다 sciencedirect.com. 이러한 창의적인 솔루션들은 MOF가 공중 보건과 안전에 어떻게 기여할 수 있는지 보여줍니다.

요약하자면, MOF는 센서 기술에 높은 민감도, 맞춤화 가능성, 그리고 안정성을 제공합니다. 경우에 따라 억십분의 일(ppb) 수준의 분자도 감지할 수 있으며, 그 반응은 눈에 보이는 색 변화나 전자적 판독을 위한 전류/전압 변화 등 쉽게 읽을 수 있도록 설계할 수 있습니다. 환경 모니터링과 식품 안전 기준이 더욱 엄격해짐에 따라, MOF 센서는 정밀성과 실용성을 겸비해 널리 사용될 수 있습니다. MOF가 박막이나 분말 형태로 기기 표면에 코팅될 수 있다는 점은 센서 하드웨어에의 통합이 매우 용이함을 의미합니다. 전 세계의 기업과 연구소들은 MOF 센서 설계를 활발히 특허 출원 중이며 cas.orgcas.org, 곧 MOF 기술을 활용한 상업용 센서 제품(부패를 감지하는 스마트 주방 센서, 공기질 및 보안 위협을 감지하는 휴대용 탐지기 등)을 볼 수 있을 것으로 보입니다. 이 분야는 화학과 공학이 만나는 역동적인 영역이며, MOF는 우리의 세계를 더욱 정밀하게 감지하고 측정할 수 있도록 하는 최첨단 기술입니다.

수분 수확 및 깨끗한 물 기술

MOF의 가장 미래지향적으로 들리는 응용 분야 중 하나이자, 이미 실제로 입증된 사례는 공기 중에서 식수용 물을 뽑아내는 것입니다. 대기수 집수는 공기 중의 수분(심지어 건조한 사막 기후에서도)을 추출해 신선한 물을 제공하는 기술입니다. 기존의 제습기나 안개망은 비교적 습한 공기나 많은 에너지가 필요합니다. 하지만 MOF는 매우 건조한 공기(상대 습도 10~20%)에서도 물을 포집하고, 최소한의 에너지로 방출할 수 있는 능력을 보여주어, 가뭄 지역의 오프그리드(독립형) 물 생성기에 이상적입니다.

이 개념은 MOF의 발명가인 오마르 야기 교수와 그의 동료들에 의해 처음 제안되었습니다. 2017년, 그들은 태양광만을 에너지원으로 사용해 사막 공기에서 물을 수확할 수 있는 MOF(MOF-801)를 처음 보고했습니다. 2023년이 되자, 이 기술은 크게 발전했습니다. UC 버클리 연구진은 MOF를 이용한 휴대용 물 수확 장치를 공개했으며, 이 장치는 지구상에서 가장 건조하고 더운 곳 중 하나인 데스밸리에서 테스트되었습니다. 이 장치는 작은 배낭 크기 정도로, 완전히 자연광만으로 작동하며, 밤에는 물을 포집하고 낮에는 액체로 방출하는 과정을 반복했습니다. “이 테스트는 이 장치가 어디서든 깨끗한 물을 제공할 수 있음을 보여주었습니다.”라고 연구팀은 밝혔으며, 이를 “기후 변화로 가뭄이 심화되는 상황에서 시급한 해결책”이라고 불렀습니다. cdss.berkeley.edu MOF 기반 수확기는 습도 10%의 매우 건조한 공기에서도 수분을 포집할 수 있었고, 현장 조건에서 MOF 1kg당 하루 최대 285g의 물을 생산했습니다 cdss.berkeley.edu. (~285g은 대략 한 컵 분량이며, 실험실의 이상적인 조건에서는 더 많은 양이 나옵니다.) 놀랍게도, 이 장치는 태양광 외에 외부 전력이 전혀 필요하지 않았으며, 온실가스 배출이나 전기 사용이 전혀 없었습니다 cdss.berkeley.edu. 이는 MOF가 먼저 밤의 차가운 공기에서 수증기를 흡착한 뒤, 낮에 태양열로 가열되어 수증기를 방출하고, 이를 집수기에서 액체로 응축시키는 원리 덕분입니다. MOF는 성능 저하 없이 여러 번 반복 사용할 수 있고, 단순 건조만으로 재생이 가능해 장기적으로 사용할 수 있는 견고한 물 스펀지 역할을 합니다 cdss.berkeley.edu.

최신 장치에 사용된 MOF는 알루미늄 기반 프레임워크(MOF-303라고 불림)로, 물에 대한 강한 친화력을 가지면서도 적당한 온도(~80°C)에서 물을 쉽게 방출합니다. 이 MOF는 탁월한 성능 때문에 선택되었습니다: 극도로 건조한 환경에서도 물을 수확할 수 있으며, 수천 번의 사이클 동안 안정적입니다 businesswire.com. 실제로 MOF-303은 데스밸리에서 성공적으로 테스트되었으며, 극한 환경에서의 실용성이 입증되었습니다 businesswire.com. 테스트 중, 이 장치는 각 사이클에서 흡착된 물의 약 85~90%를 회수하는 성과를 보였으며 cdss.berkeley.edu, 이는 포집된 수분의 손실이 매우 적다는 것을 의미합니다. 2023년 7월 Nature Water에 발표된 연구를 이끈 야기 박사는 다음과 같이 강조했습니다: “전 세계 인구의 거의 3분의 1이 물 부족 지역에 살고 있습니다. 유엔은 2050년까지 거의 50억 명이 물 부족을 겪을 것으로 전망합니다… 이는 새로운 물 공급원을 활용하는 것과 매우 관련이 있습니다.” cdss.berkeley.edu 대기 중의 거대한 물 저장고(사막에도 공기 중에 약간의 수분이 있음)를 활용함으로써, MOF 장치는 분산형이면서 지속 가능한 매력적인 새로운 물 공급원을 제공합니다. 대형 해수담수화 플랜트(전기와 해수가 필요함)와 달리, MOF 수확기는 개인 또는 마을 단위의 기기로, 공기와 햇빛만 있으면 어디서든 작동할 수 있습니다.

현재 MOF(금속-유기 골격체) 기반의 물 수확기를 대규모로 상용화하려는 노력이 진행 중입니다. 여러 스타트업들이 종종 대학과 협력하여 이 기술을 발전시키고 있습니다. 최근 시장 보고서에 따르면, Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule, 그리고 Transaera와 같은 기업들이 MOF의 우수한 수분 흡착 특성을 활용하여 차세대 냉방 및 물 시스템을 구축하고 있습니다 businesswire.com. 이 시스템들은 건조한 환경에서도 MOF 1kg당 하루 최대 0.7리터의 물을 생성할 수 있다고 알려져 있습니다 businesswire.com. 이는 초기 프로토타입의 두 배에 달하는 수율로, 향상된 소재와 설계 덕분입니다. 예를 들어 Transaera는 MOF를 초고효율 에어컨에 적용하여 공기를 냉각시키는 동시에 물도 함께 수집합니다(Transaera는 Global Cooling Prize의 결선 진출 기업이었습니다). MIT와 연계된 AQUAml의 또 다른 시도는 MOF를 이용해 공기 중 습기로 다시 채워지는 개인용 물병을 개발하고 있습니다. MOF가 낮은 습도에서도 작동할 수 있다는 점은, 이들이 수동 제습에도 활용될 수 있음을 의미합니다. 즉, HVAC 시스템에서 응축 코일 없이 공기를 건조시켜 냉방 효율을 높일 수 있습니다 cas.org.

MOF 물 수확기는 이러한 소재가 인도주의적 필요와 기후 적응에 어떻게 기여할 수 있는지 보여주는 대표적인 사례입니다. 오염된 수원 지역에서는 MOF 장치가 최소한의 인프라로 안전한 식수를 제공할 수 있습니다. 또한 모듈식 확장이 가능해, 수백 개의 MOF 유닛을 배치해 지역사회를 지원하거나, 한 가족을 위한 단일 유닛도 사용할 수 있습니다. 연구자들은 심지어 등산객을 위한 자동 충전 물병이나 야전 부대를 위한 물 생성기 등, 모두 MOF와 태양광으로 구동되는 다양한 활용을 구상하고 있습니다. 비용과 대량생산이 다음 과제이지만, 지금까지의 진전은 매우 고무적입니다. 한 기사에서는 MOF가 공기에서 물을 얻는 장치를 가능하게 하면서 “마법에 가까운 화학”이라고 표현하기도 했습니다. 공기처럼 무형의 것을 생명에 필수적인 자원으로 바꾸는 것이죠. 기후 변화로 가뭄이 잦아지는 상황에서, 이러한 기술은 물 안보의 판도를 바꿀 수 있는 혁신이자, 첨단 소재의 사회적 선(善) 활용을 보여주는 영감을 주는 사례가 될 수 있습니다.

기타 신흥 활용 분야(촉매, 배터리 등)

위에 언급된 주요 응용 분야를 넘어, MOF는 많은 다른 분야에서도 그 다재다능함을 보여주고 있습니다. MOF의 높은 표면적, 조정 가능성, 그리고 활성 금속이나 기능성 그룹을 도입할 수 있는 능력은 촉매 – 화학 반응을 가속화하는 역할 – 에 이상적입니다. MOF는 자체적으로 촉매로 사용되거나 촉매 재료의 전구체로 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 개방된 금속 자리를 가진 MOF는 CO₂를 연료로 전환하는 촉매로 사용되었으며, MOF에서 유래된 재료(금속을 유지한 탄소 프레임워크 등)는 전기 촉매(예: 연료전지의 산소 환원)에서 우수한 성능을 보여주었습니다 cas.org. 한 연구에서는 MOF에서 유래된 질소 도핑 탄소 나노튜브가 표준 촉매에 비해 수전해에서 “향상된 전기촉매 활성 및 안정성”을 보였다고 밝혔습니다 cas.org. MOF를 통해 촉매의 원자 구조를 설계할 수 있는 능력(때때로 “나노 캐스팅”이라고도 함)은 그린 케미스트리와 산업 공정에서 매우 매력적입니다.

MOF는 에너지 저장 장치에서도 연구되고 있습니다. 연구자들은 MOF를 리튬 이온 배터리의 전극 재료로 시험하고 있는데, 다공성 구조가 리튬 이온을 수용할 수 있어 용량이나 충전 속도를 향상시킬 수 있습니다 cas.org. 일부 MOF(또는 그 유도체)는 빠른 에너지 저장을 위한 슈퍼커패시터 재료로도 연구되고 있습니다 cas.org. 대부분의 MOF는 절연체이지만, 전도성 MOF라는 새로운 하위 분류가 등장하여 전자를 운반할 수 있고 전자기기나 센서에 사용될 수 있습니다. 고유의 자기적 또는 강유전성 특성을 가진 MOF도 첨단 기능성 장치용으로 연구되고 있습니다.

MOF 혁신이 이루어지고 있는 또 다른 분야는 화학 산업에서의 가스 분리 및 정제입니다. 앞서 탄소 포집에 대해 언급했지만, MOF는 다른 어려운 분리에도 활용될 수 있습니다 – 예를 들어, 프로필렌과 프로판 분리(플라스틱 제조의 핵심 단계) 또는 천연가스에서 불순물 제거 등이 있습니다. UniSieve와 같은 기업은 MOF 기반 멤브레인을 개발하여 분자체처럼 작동하며 에너지 효율적인 분리를 실현하고 있습니다. 한 사례에서는 MOF 멤브레인이 프로판에서 프로필렌을 99.5% 순도로 분리할 수 있었습니다 businesswire.com. 이는(이러한 분리에 일반적으로 막대한 에너지가 소모되는 증류법에 비해) 잠재적으로 저에너지 대안을 제공합니다. 이와 유사하게, MOF 필터는 냉매 재활용, 산업용 용매 정제, 심지어 핵폐기물 정화(방사성 요오드 또는 크세논 포집)에도 연구되고 있습니다.

전자 및 센서 분야에서, 연구자들은 특정 가스에 선택적인 MOF 기반 박막을 만들어 새로운 유형의 가스 센서나 연료전지 멤브레인 개발 가능성을 보여주고 있습니다. 환경 복원 또한 또 다른 틈새 시장입니다 – MOF는 조절 가능한 흡착 특성 덕분에 PFAS(“영원한 화학물질”)와 같은 오염 물질을 물에서 포집할 수 있으며, 일부 광촉매 MOF는 빛 아래에서 유기 오염 물질을 분해할 수 있습니다.

마지막으로, MOF는 다소 기발하지만 흥미로운 잠재적 활용처도 있습니다: 예를 들어, 냄새나 화학 물질을 흡수하는 MOF 섬유(보호복용)나, 에틸렌을 흡수해 음식을 더 신선하게 유지하는 냉장고용 MOF 코팅은 어떨까요? 이러한 아이디어들은 모두 실험 중입니다. 결론적으로 MOF는 플랫폼 소재를 대표합니다: 고분자나 실리콘이 다양한 용도로 활용된 것처럼, MOF도 소재 세계의 스위스 군용 칼과 같습니다. 한 시장 분석에서는 “MOF의 뛰어난 특성 – 기록적인 표면적, 조절 가능한 기공, 맞춤형 화학 구조 – 덕분에 사회의 가장 시급한 문제에 대한 해결책을 제공하고 있다”고 평가했습니다. businesswire.com 깨끗한 공기와 물에서부터 청정 에너지, 건강에 이르기까지 MOF는 다양한 혁신에 그 흔적을 남기고 있습니다.

글로벌 현황: 전 세계 연구, 특허, 상용화 동향

MOF에 대한 열기는 전 세계적으로 확산되고 있습니다. 미국(UC 버클리와 UCLA의 야기 교수의 연구)과 일본(교토의 기타가와 스스무 교수의 독립적인 MOF 발견)에서 초기 돌파구가 마련된 후, 연구는 북미, 유럽, 아시아 등 전 세계로 빠르게 확산되었습니다. 미국은 여전히 MOF 혁신의 강국으로, 주요 대학(버클리, MIT, 노스웨스턴 등), 국립 연구소, 기업들이 최첨단을 이끌고 있습니다. 미국의 여러 스타트업들은 종종 학계 연구실에서 분사되어 MOF를 상용화하고 있습니다: NuMat Technologies(일리노이)는 가스 저장에 집중하고 있으며, 반도체 산업에서 유독 가스를 보다 안전하고 대기압 이하로 저장할 수 있는 MOF 장착 가스 실린더(ION-X)를 실제로 판매하기도 했습니다 businesswire.com. NuMat은 또한 자사 시설에서 연간 약 300톤의 MOF 생산 능력을 보유하고 있다고 보고합니다 businesswire.com. Mosaic Materials(캘리포니아, 앞서 언급된 CO₂ 포집)와 Transaera(매사추세츠, 냉방용)도 주목할 만한 미국 벤처입니다. 독일의 산업 대기업 BASF는 MOF에 대규모 투자를 한 최초의 기업 중 하나로, 2010년대에 MOF 생산을 확대(구리 기반 MOF를 톤 단위로 생산)했으며 현재 루트비히스하펜에서 수백 톤 규모의 연간 생산 능력을 보유하고 있습니다 businesswire.com. BASF의 MOF(상품명 Basolite)는 고급 에너지 효율 절연 유리, 화학 필터 등 일부 상업용 제품에도 사용되고 있습니다. 유럽은 MOF에 대한 강력한 학술 네트워크를 보유하고 있으며(예: EU 주최 EuroMOF와 같은 학회), 유럽연합은 MOST-H2(수소 저장), AMADEUS(MOF를 이용한 암모니아 저장)와 같은 프로젝트에 자금을 지원하여 응용 연구를 가속화하고 있습니다.

중국은 지난 10년간 MOF 과학 분야에서 눈에 띄는 기여를 해왔습니다. 실제로 논문 발표 지표에 따르면, 중국 연구자들은 탄소 포집부터 약물 전달에 이르기까지 다양한 분야에서 새로운 MOF 논문과 특허의 상당 부분을 차지하고 있습니다. 한 서지학 연구에서는 “중국은 암 연구에서 MOF 분야에 상당한 기여를 했으며 선도적인 위치를 차지하고 있다”고 언급했습니다 pmc.ncbi.nlm.nih.gov. 지린대학교, 난카이대학교, 중국과학원과 같은 주요 중국 기관들은 MOF 기반 배터리부터 CO₂-연료 촉매에 이르기까지 다양한 분야를 탐구하는 MOF 센터를 운영하고 있습니다. 2060년까지 탄소 중립을 달성하겠다는 중국 정부의 정책은 탈탄소화 기술을 위한 MOF 연구에 대한 관심을 촉진시켰습니다. 중국은 아직 전 세계적으로 잘 알려진 MOF 스타트업이 많지는 않지만, 산학 협력이 매우 활발합니다. 특히, 중국은 차량용 MOF 기반 메탄 저장(흡착제가 채워진 탱크를 통해 천연가스 차량이 더 낮은 압력에서 더 많은 연료를 저장할 수 있는 분야)에서 선도하고 있으며, 국가 CCUS 프로그램 하에서 산업 배출 포집을 위한 MOF 연구도 진행 중입니다.

다른 지역들도 활발히 활동하고 있습니다: 일본은(는) (Kitagawa와 같은 선구자들의 연구와 최근의 전도성 MOF 연구 등으로) 계속해서 기여하고 있으며, 한국은(는) framergy와 같은 기업(국제 그룹과 협력하여 MOF 상용화 추진)도 있습니다. 호주에는 ARC Exciton Science 우수 연구센터가 있어 MOF를 센싱 및 광촉매에 활용하는 연구를 진행 중입니다. 중동에서는 사우디아라비아의 KAUST가 MOF 연구의 중심지로(앞서 언급한 MOF 탄소 포집 관련 특허를 출원함) cas.org이며, 아랍에미리트와 카타르와 같은 국가들도 자국의 필요에 맞춰 MOF를 해수 담수화 및 가스 분리에 활용하는 데 관심을 보이고 있습니다.

중요하게도, MOF 개발은 더 이상 실험실에만 국한되지 않습니다. 특허와 상업 제품이 증가하고 있습니다. 2024년 말 Chemical Abstracts Service의 분석에 따르면 MOF 관련 논문이 급증하는 한편, “특허 출판의 증가는 이 기술의 광범위한 상용화가 임박했음을 시사합니다.” cas.org 특히 CAS는 탈탄소화 관련 응용 분야(탄소 포집, 에너지, 가스 저장)와 깨끗한 물 및 센서 분야에서도 상당한 특허 활동을 확인했습니다 cas.org. 이는 기업과 연구기관이 실제 적용을 앞두고 MOF 기반 혁신을 보호하고 있음을 보여줍니다. 2024년 기준, MOF가 적용된 완전 상용화 제품은 소수에 불과했습니다 businesswire.com – 예를 들면 Svante의 CO₂ 필터, NuMat의 가스 용기, 일부 틈새 공기청정기, 그리고 MOF 기반 습도 조절 팩 라인 등이 있습니다. 그러나 우리는 전환점에 와 있는 것으로 보입니다. “글로벌 MOF 시장은 현재 학술 연구에서 산업적 응용으로의 중대한 전환기를 맞이하고 있습니다,”라고 ResearchAndMarkets 보고서는 언급하며, 이후 업계가 연평균 약 30% 성장할 것으로 전망합니다 businesswire.com. 2035년까지 MOF 응용 시장은 수십억 달러 규모에 이를 수 있으며, 특히 탄소 포집, 수소 저장, 물 수확, 화학 분리 분야가 성장을 이끌 것으로 보입니다 businesswire.com.

제조 측면도 확장되고 있습니다: 현재 전 세계적으로 약 50개 기업이 MOF를 생산하고 있으며, 생산 능력의 상당 부분은 일부 기업(예: BASF와 NuMat)에 집중되어 있습니다 businesswire.com. 이들이 직면한 과제는 실험실 수준의 그램 단위 생산을 산업용 톤 단위로 확장하면서 품질을 유지하는 것과, 이를 비용 효율적으로 달성하는 것businesswire.com입니다. 고무적인 점은, 기술이 발전함에 따라 비용이 감소하고 있으며, 기업들이 MOF를 대량으로 생산할 수 있도록 연속 생산 방식(느린 배치 합성 방식이 아닌)을 개발했다는 것입니다 businesswire.com. 예를 들어, 영국의 Promethean Particles는 플로우 리액터를 사용해 MOF와 기타 나노소재를 대량 생산하고 있으며, 스위스의 novoMOF는 대규모 MOF 위탁 생산 서비스를 제공합니다. 이러한 발전은 만약 (예를 들어, 탄소 포집 장치용 수천 톤 규모의) 큰 수요가 발생한다면, 공급 측이 이를 충족할 준비가 되어 있음을 시사합니다.

국제 협력도 활발하게 이루어지고 있습니다: 여러 국가의 과학자들이 MOF 논문을 공동 저술하는 경우가 많고, 전 세계 컨퍼런스(예: 멜버른에서 열린 MOF2023, 밴쿠버에서 열릴 MOF2024)도 커뮤니티를 하나로 모읍니다. 이는 MOF의 방대한 화학적 공간을 고려할 때 모범 사례를 공유하고 중복 노력을 방지하는 데 도움이 됩니다.

전망: 지속 가능한 미래를 위한 MOF의 중요성

지금까지 살펴본 바와 같이, MOF는 첨단 소재 과학과 실제 문제 해결의 교차점에 위치해 있습니다. MOF는 이전에는 불가능하거나 비효율적이었던 공정을 가능하게 해주기 때문에 종종 “게임 체인저”로 불리며 지속 가능성에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다. 탄소 포집이 대표적인 예로, MOF를 이용하면 CO₂를 제거하는 데 드는 에너지가 줄어들어 발전소와 공장에서 탄소 포집의 보급이 확대될 수 있고, 이는 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있습니다. 청정 에너지 저장도 또 다른 예입니다. MOF는 저장 문제를 해결함으로써 수소(그리고 메탄과 같은 다른 기체도) 연료를 실제로 청정 연료로 사용할 수 있게 할지도 모릅니다. 깨끗한 물 분야에서는 MOF가 공기에서 물을 만들어내거나 저렴하게 물을 정화하여, 대규모 인프라 없이도 물 부족과 오염 문제를 해결할 수 있습니다. 헬스케어에서는 MOF가 표적 약물 전달과 민감한 진단에 희망을 주며, 더 스마트한 치료법으로 생명을 구할 수 있습니다. 그리고 산업 화학 전반에 걸쳐 MOF는 더 에너지 효율적인 분리 및 촉매 공정을 제공하여, 일상 화학제품 생산의 탄소 발자국을 줄일 수 있습니다.

하나의 소재가 이렇게 많은 분야에 영향을 미치는 일은 드뭅니다. 그래서 MOF는 종종 “차세대 실리콘” 또는 “차세대 플라스틱”에 비견될 정도로 변혁적 잠재력을 가진 것으로 평가받습니다. MOF는 정밀하게 바닥부터 쌓아 올리는 방식으로 소재를 설계하는 새로운 방법을 제시합니다(이 때문에 분자 수준의 레고나 틴커토이에 비유되기도 합니다). 이런 망상 구조 설계 접근법은 수십 년 전만 해도 이론에 불과했지만, 이제는 전 세계의 화학자와 엔지니어들이 실제로 활용하는 실용적 도구가 되었습니다.

전문가들은 MOF가 실험실의 호기심 대상에서 다양한 기술에 내장된 보편적 핵심 소재로 자리 잡기 직전이라고 보고 있습니다. “이처럼 다양한 잠재적 응용 분야 덕분에 MOF는 가장 도전적인 과학 분야에서 중요한 돌파구를 이끌고 있습니다,”라고 한 ACS 분석가는 썼으며, AI와 머신러닝의 발전이 MOF 선별을 가속화하고 있어 “더 많은 발전과 상업적 활용이 곧 이루어질 수 있다”고 덧붙였습니다. cas.org MOF가 시장에 진입하는 시기는 이미 앞당겨지고 있습니다. 최초의 MOF가 1995년에 만들어졌고, 2020년대에 들어서야 첫 상업적 활용이 등장했지만, 앞으로 몇 년 안에 수십 개의 MOF 기반 제품이 나올 것으로 보입니다. 업계 대기업들도 주목하고 있습니다. 석유 및 가스 회사들은 더 깨끗한 공정 처리를 위해 MOF를 주시하고 있고, 기술 기업들은 데이터 센터의 공기 필터로 MOF를 검토 중이며, 자동차 회사들은 MOF 수소 탱크와 실내 공기용 CO₂ 스크러버에 관심을 보이고 있습니다.

전 세계적으로 MOF 연구 및 도입에 대한 지원은 기후 행동, 지속 가능한 개발, 첨단 제조와 같은 시급한 우선순위와 일치합니다. 각국 정부와 투자자들은 MOF 스타트업과 파일럿 프로젝트에 자금을 지원하고 있으며, 이 소재들이 자국에 청정 기술 분야에서 경쟁 우위를 제공할 수 있음을 인식하고 있습니다. 미국과 유럽에서는 MOF가 탄소 포집 및 수소 저장 로드맵에 포함되어 있습니다. 중국의 최신 5개년 계획은 신소재와 지속 가능성을 강조하고 있는데, 이는 MOF의 강점 분야입니다. 국제기구들도 참여하고 있습니다. 예를 들어, MOF 기반 탄소 포집은 최근 CCUS 컨퍼런스에서 강조되었고 decarbonfuse.com, MOF 물 수확 기술은 BBC 및 Scientific American과 같은 언론에서 다루어져 대중의 관심을 받고 있습니다.

물론, 과제도 남아 있습니다. 제조 비용과 대규모화는 지속적인 개선이 필요합니다(하지만 앞서 언급했듯이 이 분야에서도 상당한 진전이 이루어지고 있습니다 businesswire.com). 실제 환경(불순물에 노출되거나 여러 번 반복 사용되는 상황)에서 MOF의 장기적 안정성은 개별적으로 입증되어야 합니다. 그리고 각 응용 분야는 다른 기술과의 경쟁에 직면해야 합니다(예를 들어, MOF 탄소 포집이 새로운 용매나 멤브레인 시스템보다 경쟁력이 있을까요? MOF 물 수확기가 대규모에서 기존 담수화 기술보다 뛰어날 수 있을까요?). 이러한 질문들은 앞으로 시범 사업과 경제성 분석을 통해 답이 나올 것입니다. 초기 신호는 고무적입니다. MOF가 뛰어난 분야에서는 정말로 뛰어납니다. 대체재로는 따라올 수 없는 성능을 제공합니다(예: 다른 어떤 소재도 10% 습도에서 이렇게 효율적으로 물을 포집하거나, 이렇게 가벼운 형태로 수소를 많이 저장할 수 없습니다).

결론적으로, MOF는 화학 혁신이 전 세계적인 문제를 해결하는 힘을 보여줍니다. MOF는 화학 실험실에서의 호기심으로 시작해, 산업을 더 친환경적으로 만들고, 에너지를 더 지속 가능하게 하며, 물과 같은 자원을 더 쉽게 접근할 수 있게 하는 잠재력을 가진 플랫폼으로 발전해 왔습니다. 전 세계적인 노력—미국의 스타트업부터 중국의 대학, 유럽의 연구 컨소시엄, 중동의 연구실에 이르기까지—은 이 소재에 대한 공동의 낙관론을 강조합니다. 한 보고서에서 간결하게 표현했듯이, MOF는 “과학적 호기심에서 상업적 현실로 전환되고 있다”고 하며, 탄소 포집, 물, 에너지 등 다양한 문제를 해결하고 있습니다 businesswire.com. 현재의 추세가 계속된다면, MOF는 곧 일상생활의 많은 부분에서 조용히 뒤에서 작동하며, 더 친환경적이고 진보된 세상을 실현하는 데 기여할 것입니다. 다음에 사막에서 물을 한 모금 마시거나, 수소차를 운전하거나, 도시에서 더 깨끗한 공기를 마실 때, 금속-유기 골격체가 그 이유 중 하나일지도 모릅니다.

출처: MOF에 관한 최신 연구와 전문가 논평은 Science, news.berkeley.edu, Nature Water, cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, Businesswire 보도자료 businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, 그리고 시장 분석 자료 businesswire.com 등 주요 과학 저널, 대학 보도자료, 산업 보고서에서 인용되었습니다. 이들 출처는 MOF가 재료 과학 분야에서 획기적인 플랫폼이며, 실제 세계에서의 영향력이 빠르게 커지고 있다는 데 의견이 일치함을 보여줍니다.