일본산업뉴스요약

도요타, 노벨화학상 수상 첨단 소재 'MOF'에도 주력
축전과 센서 분야에서 특허 출원

도요타자동차와 도요타자동차 그룹의 도요타중앙연구소가 ‘금속유기구조체(MOF)’의 연구개발에 주력하고 있다. 닛케이 크로스테크(Nikkei xTECH)의 조사 결과, 관련 특허를 많이 출원하고 있는 것으로 확인되었다. 축전 디바이스나 흡습재, 메탄 흡장재 대상 특허뿐 아니라, 제조 기술에 관한 특허 등 다방면에 걸친다.

MOF란 금속 이온과 유기 배위자가 배위 결합으로 연결된 금속 착체의 한 종류다. 다공성 배위 고분자(PCP)라고도 부른다. 나노미터 크기의 미세한 구멍이 규칙적으로 뚫려 있어, 기체 분자를 선택적으로 흡착할 수 있다. 금속이나 배위자와 같은 구성 요소를 변경함으로써 구조나 물성을 조정할 수 있기 때문에 “설계 자유도가 높다”(MOF에 정통한 기술자). 이러한 특성을 활용하여, 다양한 기체를 흡장/흡착하는 차세대 재료로서 연구가 진행되고 있다. 이산화탄소(CO₂)의 회수/이용/저장(CCUS)을 위한 기술로서 특히 기대되는 등 용도는 매우 넓다.

-- 일본에서 연구 개발 활발 --
노벨화학상 수상자 중 한 명으로 교토대학 기타가와(北川) 특별교수가 이름을 올리고 있듯이, 일본에서는 이 분야의 연구 개발이 활발하다. Patentfield(교토시)의 툴을 이용해 일본 내 특허 출원 현황을 조사한 결과, 도요타자동차와 도요타중앙연구소가 적극적으로 MOF 관련 특허를 출원하고 있는 것으로 확인되었다.

그 중에서도 특허가 많은 곳이 도요타중앙연구소이다. 2015~2025년 10년 동안의 특허 출원 건수는 총 41건에 달했다. 예를 들면, 전기자동차(EV)나 휴대용 전자기기 등에 사용되는 축전 디바이스용 재료, 의료기기나 환경 모니터링을 위한 아세톤 등을 감지할 수 있는 가스 센서, 히트 펌프용 흡습재, 메탄의 저장/수송용 흡장재 등의 용도이다. 결정 구조에 결함이 생기지 않도록 하는 제조 기술에 관한 특허도 출원하고 있다.

도요타자동차도 특허 출원 수는 많다. 2015년부터 2023년의 8년간 특허 출원 건수는 총 35건이었다. 예를 들면, 질소나 메탄 등의 가스 흡착재, 히트 펌프용 흡습재 관련 특허이다. 균일하고 고품질의 MOF 박막을 형성할 수 있는, 인쇄기술을 이용한 제조방법에 관한 특허도 출원하고 있다.

특허 출원 건수로 보면, 이 밖에도 닛토전공, 일본가이시, 다이킨공업, 세키스이화학공업 등도 많은 특허를 보유하고 있어, MOF의 연구 개발에 주력하고 있음을 알 수 있다. 연구기관 중에서는 기타가와 교수가 속해 있는 교토대학이 가장 많은 특허 건수를 갖고 있다.

-- MOF 설계 지원 툴도 등장 --
MOF는 높은 잠재성을 갖고 있지만, “설계 자유도가 높은 만큼, 성능이나 비용 등의 여러가지 지표를 균형 있게 충족하도록 설계하기가 어렵다”(앞서 언급한 MOF에 정통한 기술자)는 과제가 있다. 그래서 MOF의 설계를 지원할 수 있는 기술도 등장하고 있다.

예를 들면, Matlantis가 개발한 동명의 재료 탐색 시뮬레이터를 들 수 있다. Matlantis는 AI(인공지능) 스타트업 기업 Preferred Networks(도쿄)의 그룹 회사다.

Matlantis에서는 원자 단위의 거동을 재현한 대규모 재료 탐색을 고속으로 실시할 수 있다. 기존의 ‘밀도범함수이론(DFT)’ 기반 계산 방식으로는 수시간에서 수개월 걸리던 계산을, Matlantis에서는 수초 만에 처리할 수 있는 것이 강점이다. 게다가 대응할 수 있는 원소가 96종으로 많은 것도 특징이다.

Matlantis는 MOF의 연구개발에서도 이용되고 있다. 예를 들면, 흡착 분자의 거동이나 흡착 특성 등을 계산할 수 있다. 계산 결과를 바탕으로 MOF의 구조 최적화를 도모한다. MOF의 구조는 복잡하기 때문에 기존의 계산 방법으로는 높은 계산 비용과 오랜 시간이 필요했다. 하지만 Matlantis를 사용하면 이러한 과제를 해결할 수 있다.

2014년 노벨물리학상을 메이조대학 아카사키(赤崎) 명예교수, 나고야대학 아마노(天野) 교수, 미국 캘리포니아대학 산타바바라 캠퍼스의 나카무라(中村) 교수가 ‘고휘도 청색 발광 다이오드(LED)의 발명’으로 수상했을 때, 그 재료였던 질화갈륨(GaN)이 큰 주목을 받았다. 그것을 계기로, GaN을 파워반도체에 응용하려는 연구 개발이 일본을 중심으로 활발히 진행되었다. 마찬가지로 MOF에 관해서도 노벨화학상 수상을 계기로 일본 내에서 연구개발이 한층 가속화될 것으로 보인다.

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