한국과학기술원(KAIST·총장 배충식) 연구진이 기체를 원하는 모양으로 '줄 세우는' 새로운 소재 설계 기술을 개발했다. 탄소는 더 잘 골라 잡고 수소는 더 효율적으로 저장하는 맞춤형 소재 개발이 기대된다.
KAIST는 김지한 생명화학공학과 교수팀이 다공성 물질 안에서 기체를 결정처럼 줄 세우고, 원하는 기체 배열을 만드는 소재까지 인공지능(AI)으로 설계하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
미세한 구멍에 기체를 담거나 골라낼 수 있는 금속-유기 골격체(MOF)를 활용했다. MOF는 스펀지가 물을 머금듯 미세한 구멍에 기체를 담는 일종의 '분자 스펀지'와 같다. 연구팀은 수많은 MOF 구조를 탐색해 기체가 규칙적으로 배열되는 '가스 격자' 현상을 찾아냈으며, 나아가 AI를 활용해 원하는 기체 배열을 만들어낼 수 있는 새로운 다공성 구조를 직접 설계하는 데도 성공했다.
연구팀은 단일 원소 기체인 제논(Xe)을 이용해 이를 확인했다. 방대한 금속-유기 골격체 구조를 탐색한 결과, 특정 코발트 기반 다공성 물질(Co-CAU-36) 안에서 제논이 규칙적인 격자를 이루는 현상을 찾아냈다.
컴퓨터 시뮬레이션(GCMC) 결과, 제논은 기공 안에 제멋대로 흩어지는 대신 '체심 입방 격자(BCC)'라는 일정한 결정 형태로 정렬됐다.
특히 서로 다른 기체를 섞었을 때는 흥미로운 분리 현상도 나타났다. 산업적으로 분리 가치가 높은 제논과 크립톤(Kr)을 함께 넣자 제논이 먼저 껍질 형태 격자를 만들고, 크립톤은 그 중심부에 자리 잡았다. 이는 혼합기체를 분리하는 새로운 방법으로 활용될 가능성을 보여준다.
연구팀은 여기서 한발 더 나아가 '원하는 모양으로 기체를 배열하려면 어떤 소재가 필요할까'라는 질문에 도전했다.
이를 위해 기계학습과 유전 알고리즘을 결합했다. 수많은 후보 가운데 좋은 소재를 하나씩 찾아가는 대신, 원하는 기체 배열을 먼저 정하고 AI가 이에 적합한 다공성 구조를 거꾸로 찾아가는 '역설계' 방식이다.
그 결과 연구팀은 체심 입방(BCC)은 물론 면심 입방(FCC) 형태로 기체를 배열할 수 있는 새로운 다공성 구조를 설계하는 데 성공했다.
이 기술이 이산화탄소와 수소 등 다양한 기체로 확대되면, 목적에 따라 필요한 기체를 선택적으로 포집·분리하거나 효율적으로 저장하는 소재 설계에 활용될 것으로 기대된다.
김지한 교수는 “앞으로 이산화탄소 등 다양한 분자에 적용하면 목적에 맞는 분리·저장 소재를 설계하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
KAIST 생명화학공학과 김영훈 박사과정과 김도훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여하고, 김승우 석사과정과 임윤성 박사가 제2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈'에 6월 23일 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
