제올라이트 합성 과정에서 결정변형 원인 밝혀져

섬유화학산업에서 촉매제로 많이 사용하는 제올라이트를 합성하는 과정에서 품질저하의 원인이 되는 결정변형이 일어나는 원인을 국내 연구진이 밝혀냈다.

11일 미래창조과학부에 따르면 서강대학교 물리학과 김현정 교수팀의 차원석 박사과정 연구원 등이 제올라이트의 결정변형 원인을 밝혀내 이 연구결과를 재료분야에서 권위를 인정받는 '네이처 머티리얼즈' 온라인판에 발표했다.

제올라이트는 실리카와 알루미늄, 산소 원자로 이뤄진 결정성 광물로, 분자가 드나들 수 있는 0.3~1나노미터(nm) 크기의 나노기공이 규칙적으로 배열돼 섬유화학산업에서 촉매제로 널리 사용된다. 그러나 외부 조건에 의해 스트레인이 형성되면 기공의 크기가 변하고 배열도 어그러져 촉매제로서의 효율이 떨어진다. 일반적으로 촉매 효율성을 높이기 위해 제올라이트 결정에 기판을 붙이는데 이 과정에서 변형이 생기며 고온에서는 기판과의 열팽창계수 차로 변형이 생기는 문제도 있다. 따라서 제올라이트의 폭넓은 응용을 위해서는 결정 내 나노기공의 크기와 배열을 측정하고 결정의 변형부위와 그 원인을 찾아내는 것이 관건이었다.

연구팀은 기존의 '결맞는 X선 회절법'을 개량한 방식으로 제올라이트 결정의 모양을 얻는 동시에 결정 내부의 격자변형 정도를 0.01nm 해상도로 원자수준까지 측정하는 데 성공했다. 상대적으로 빛의 산란 정도가 약한 나노다공성물질의 특성에 맞춘 방식으로 이 방법을 이용하면 변형 정도를 정밀하게 측정할 수 있다.

이 방법은 내부를 들여다보기 위해 제올라이트를 파괴할 필요가 없고, 반응이 일어나는 모습을 실시간으로 측정할 수 있다는 장점도 있다.

연구팀은 또 제올라이트 합성시 결정 형성을 위해 넣은 극미량의 첨가물이 450도로 가열한 뒤에도 분해되지 않고 잔류해 가공배열에 영향을 준다는 사실을 알아냈다. 바로 이 유기물의 존재가 격자변형의 원인이라는 것이다.

김 교수는 "이번 연구결과는 제올라이트의 합성·제조 과정과 촉매와 같은 응용과정에서 효율을 높이는 데 매우 중요한 정보를 제공하게 될 것으로 기대한다"고 말했다.

[e-mail] 김영선 기자