산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2026.02

우선은 반도체 분야에서 활약, 2030년에는 CO₂ 회수 및 차세대 배터리까지 확대
Part 1 총론

CO₂ 회수 및 수소 저장, 코팅에서 촉매, 전자 재료에 이르기까지 2025년 노벨 화학상으로 일약 주목 받고 있는 금속유기골격체(MOF)가 다양한 용도로 성과를 내고 있다. 2030년대에는 환경 분야와 에너지 산업, 배터리, 센서에 이르기까지 활동의 장이 넓어질 것으로 보인다.

“그야말로 눈에 보이지 않는 금(인비저블 골드)이다.” MOF 개발로 2025년 노벨 화학상을 수상한 교토대학의 기타가와(北川) 특별 교수는 주변에 존재하는 평범한 공기에 대해 이렇게 표현했다. 질소, 산소, CO₂ 등, 생명과 산업에 불가결한 원소를 포함하고 있기 때문이다. 공기를 비롯해 다양한 기체를 자유롭게 분리·흡착·회수할 수 있는 것이 MOF이다.

-- 수동적과 능동적, 두 가지 용도 --
MOF는 금속 이온과 유기 분자가 규칙적인 배위 결합으로 연결된 정글짐과 같은 구조로, 나노미터 크기의 미세한 구멍을 가지고 있다. 다공성(多孔性) 배위 고분자(PCP)라고도 불린다. “이 구멍에는 아무것도 없어 쓸모 없어 보이지만, 여기에 원자나 분자를 저장하거나 변환하면 즉시 유용해진다.” 기타가와 교수는 MOF의 미세 구멍을 ‘무용지용(無用之用)’에 비유하며 이와 같이 설명한다.

금속 이온과 유기 배위자의 조합을 바꾸면, 무한에 가까운 종류의 MOF를 합성할 수 있다. 이 때문에 용도는 다양하지만, 크게 구별하면 두 가지로 나뉜다. 하나는 수동적인 용도이다. MOF의 다공성 물질로서의 특성을 이용하는 것으로, 기체의 흡착·저장·분리 등을 가리킨다. 기존 재료에 비해 기체 분자를 선택적으로 흡착할 수 있다. 수소나 메탄, CO₂ 등을 상온·저압과 같은 안전한 상태에서 흡착·저장하기 쉬워 흡착·저장·분리에 필요한 에너지를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 기존 재료에서는 어려웠던 분자도 탈착이 가능. 기타가와 교수는 노벨 화학상 수상 기자회견에서 “기체에 기대를 걸고 있다”라며 MOF의 용도에 대해 여러 차례 언급했다.

두 번째는 능동적인 용도이다. 단순히 구멍에 분자를 가두는 것이 아니라, 구조 설계를 통해 MOF에 전자와 이온이 통과할 길을 만들고, 새로운 기능을 발현시켜서 전자 재료나 촉매 등에 활용한다. 예를 들어, 분자를 흡착했을 때의 구조적 변화를 전기 신호로 출력함으로써 특정 분자를 고정밀로 검출하는 새로운 센서의 실현으로 연결할 수 있다.

2000년대까지는 가스의 흡착·저장을 비롯한 기초적인 물성 연구가 대부분이었지만, 2010년대 중반을 기점으로 이미징이나 센싱과 같은 응용 연구 논문 및 특허가 급증하고 있다. MOF를 연구하고 있는 나고야(名古屋)대학 대학원 공학연구과의 마쓰다(松田) 교수도 “센싱 용도에서의 출구 전략이 큰 역할을 했다”라고 말한다.

-- 보급에 두 가지 과제 --
이처럼 많은 장점이 있은 MOF이지만, 본격적으로 양산해 널리 사용하기 위해서는 해결해야 할 두 가지 과제가 있다. 첫 번째는 내구성과 코스트의 트레이드오프 관계이다. MOF는 금속과 유기물의 배위 결합이라고 하는 비교적 약한 힘으로 구축되어 있기 때문에, 수분이나 배기가스 중의 불순물(NOx와 SOx)에 의해 구조가 붕괴되기 쉽다. 내구성을 높이기 위해서는 보다 견고하게 결합된 배위자나 특수 금속을 사용해야 하지만, 코스트가 증가하게 된다.

예를 들어, 테레프탈산과 같은 범용적인 유기 배위자를 사용하면 저렴하게 MOF를 합성할 수 있지만 내구성이 부족하다. 성능을 높이기 위해 끝부분에 아미노기를 붙이게 되면, 가격이 시약(試藥) 수준까지 급등한다.

두 번째 과제는 스케일업이다. 실험실 규모에서 합성되는 1g 단위의 고품질 단결정을 산업 이용에 필요한 톤 단위의 공업 제품으로 안정적으로 생산하는 기술은 아직 발전 단계에 있다. 특히 전도성 MOF는 기술적 장벽이 높아 수율 향상이 어렵다고 알려져 있다.

-- 반도체 및 방산용으로 양산 개시--
이러한 과제 해결을 모색하면서 수동적인 용도에서 MOF의 상용화가 점차 진행되고 있다. 선행되고 있는 분야는 반도체이다. 예를 들어, 일본후소공업(사카이시)은 반도체 제조 장비의 실리콘 웨이퍼 고정대 등을 대상으로 MOF가 첨가된 불소 수지 코팅 재료를 판매하고 있다. 피막 박리의 원인인 수증기를 MOF로 흡착하면 내구 기간을 연장할 수 있다는 점 때문에 매년 매출이 증가하고 있다.

해외에서는 미국 스타트업인 Numat Technologies가 선도하고 있다. Numat는 먼저 반도체 분야에서 MOF를 상용화했다. 반도체 제조에 사용되는 가스를 MOF를 이용해 저압으로 저장할 수 있는 실린더를 개발. 이미 미국과 대만, 한국, 일본 등의 반도체 공장에서 채택되고 있다고 한다.

Numat가 다음 목표로 삼고 있는 것이 방산용이다. MOF를 필터에 혼합해 유독 물질을 흡착하는 가스 마스크와 원단에 MOF를 포함시킨 방호복을 개발하고 있다.

MOF 자체가 고가이기 때문에 재료로 판매하는 것이 아닌, 가스통이나 가스 마스크와 같은 부가가치가 높은 제품으로 판매함으로써 코스트 상승 문제를 해결했다. Numat의 창업자이자 CEO인 헤르난데스 씨는 “이미 매년 100톤이 넘는 MOF를 양산하고 있다”라고 밝혔다.

MOF를 활용한 새로운 수소 탱크의 상용화도 임박하고 있다. 노벨 화학상 수상자 2명이 공동 창업한 미국의 스타트업 H2MOF는 MOF를 이용한 수소 탱크를 드론에 탑재하는 실증 실험을 2026년에 실시한다. 기존의 고압 탱크에 필적하는 에너지 밀도를 거의 상온 및 저압으로 실현할 수 있다는 것이 특징이다. 자동차, 항공기, 드론 등에 탑재하기 용이하다. 가능하면 2027년 안에 드론 등을 대상으로 상용화를 목표로 하고 있다.

메탄가스를 주성분으로 하는 천연 가스 보관에서 조기 상용화를 노리고 있는 것은 교토대학 발 스타트업 Atomis(고베시)이다. 교토대학의 기타가와 특별 교수가 과학 고문을 맡고 있는 이 회사는 MOF를 내부에 넣은 소형 가스통을 개발했다. 메탄가스를 주성분으로 하는 천연가스 보관을 기존 제품에 비해 약 5분의 1 수준의 낮은 압력으로 실현한 것이 특징이다. MOF의 부피당 흡착량이 많다는 점이 저압화로 이어졌다.

-- CO₂ 회수 비용 절감 --
수동적인 용도 가운데 가장 큰 기대를 받고 있는 것이 CO₂의 흡착·저장·분리이다. 2030년대의 상용화를 목표로 기업들이 뜨거운 경쟁을 펼치고 있다. MOF는 높은 저장 능력뿐만 아니라, 기존 방법인 ‘아민 흡수법’에 비해 CO₂ 회수 비용이 낮을 것으로 기대되고 있기 때문이다. Atomis를 비롯해 레조낙의 석유화학 사업 회사인 클라사스케미컬(Crasus Chemical)과 일본제철(日本製鉄) 등이 연구개발을 추진하고 있다.

나가세산업(長瀨産業)도 Atomis와 공동으로 ‘CO2 회수 액화 장치’를 개발 중이다. 이 장치에서 MOF가 사용되는 것은 농축 공정이지만, 액화·저장까지를 포함한 토탈 시스템으로 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 배기가스 중 저농도의 CO₂를 분리·농축해 농도를 90% 이상까지 높일 수 있다고 한다. 올 4월에 소형 모델로 운용을 개시할 예정이다.

이 외에도 대기에서 직접 CO₂를 분리·회수하는 DAC(직접 공기 회수) 기술과 수증기 흡착으로의 응용도 기대를 모으고 있다. 건조 지대 등에서의 식수 확보를 목표로 저습도 환경에서도 대기 중의 수증기를 효율적으로 흡착하거나, 물속 중금속 이온이나 오염 물질을 선택적으로 흡착·제거하는 물질로 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

-- 전자 재료는 연구 단계 --
하지만, 실용화 단계에 들어간 수동적 용도에 비해 촉매나 전자 재료와 같은 능동적 용도는 아직 기초 연구 단계에 있다. 많은 MOF는 유기 배위자와 금속 노드가 엉성하게 결합된 구조이기 때문에 원자의 전자운(Electron Cloud) 겹침이 작아 전류가 흐르기 어렵다. 전자 재료로 활용하려면 이 과제를 극복해야 한다.

국내에서는 구마모토(熊本)대학과 나고야(名古屋)대학의 연구팀, 그리고 도요타중앙연구소(豊田中央硏究所)가 과제 극복을 위한 연구를 추진하고 있다.

도요타중앙연구소는 AI(인공지능) 기술을 활용해 구성비와 구조 등을 개선함으로써 과제 극복을 도모하고 있다. 리튬이온 2차 전지의 음극재 등으로의 응용을 상정하고 있다.

-- MOF를 LIB와 접착제에 활용 --
전자의 이동 통로를 만들어도 구조가 열적으로 불안정하거나 스택 간의 거리가 멀면 전자의 이동 속도는 상승하지 않는다. 도요타중앙연구소는 전자 운송 효율을 더욱 높이기 위해 AI(인공지능) 기술을 활용했다. 도요타중앙연구소가 개발한 리튬이온 2차전지(LIB)의 음극재 ‘iMOF’는 성질이 다른 3종류의 유기 배위자인 방향족 디카복실산의 배합 비율을 AI로 최적화했다. 그 결과, 결정(結晶)에 의도적으로 미묘한 변형을 일으키는 구조가 적합하다는 사실이 밝혀졌다.

구조상의 변형이 스택 간의 거리를 강제적으로 좁혀 전자 이동을 촉진한다. iMOF로 실현한 0.8V의 동적 전위는 LIB의 음극재에 있어서 기존의 탄소계열 재료보다 높고, 산화물계열 재료보다 낮다. 이를 통해 급속 충전 시 열 폭주의 원인이 되는 리튬 금속의 석출(析出)을 억제하면서 높은 출력을 유지할 수 있다. 도요타중앙연구소는 iMOF를 통해 기존의 음극재에는 없는 안전성과 고출력의 양립을 달성했다. 현재 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있다.

구조를 나노 수준으로 제어함으로써 전기화학적 특성까지 자유롭게 설계할 수 있다. 도요타중앙연구소는 이외에도 MOF를 구조용 접착제로 응용하는 연구를 진행하고 있다. MOF를 벌크 소재로 사용함으로써 금속 수준의 저열팽창과 수지와 같은 저탄성률을 양립할 수 있다고 한다.

-- 끝 --

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