AI로 자유로운 기체 줄 세우고 배열…탄소 포집·수소 저장 새 길

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 아주 작은 구멍이 무수히 뚫린 다공성 물질 안에서 기체를 결정처럼 규칙적으로 줄 세우고 원하는 기체 배열을 만드는 소재까지 인공지능(AI)으로 설계하는 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구팀은 미세한 구멍에 기체를 담거나 골라낼 수 있는 금속-유기 골격체(MOF)를 활용했다. MOF는 스펀지가 물을 머금듯 미세한 구멍에 기체를 담을 수 있어 일종의 '분자 스펀지'와 같다.

수많은 MOF 구조를 탐색해 기체가 제멋대로 흩어지지 않고 결정처럼 규칙적으로 배열되는 '가스 격자' 현상을 찾아냈으며, 나아가 AI를 활용해 원하는 기체 배열을 만들어낼 수 있는 새로운 다공성 구조를 직접 설계하는데도 성공했다.

지금까지 다공성 소재 연구에서는 기체가 얼마나 많이 흡착되는지가 주요 관심사였다. 기체 분자 역시 소재 내부의 빈 공간에 무질서하게 흩어져 붙는다고 여겨져 왔다. 연구팀은 여기서 한발 더 나아가 기체가 들어가는 미세 공간을 정교하게 설계하면 기체가 자리 잡는 위치와 배열까지 조절할 수 있다는 가능성에 주목했다.

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. 이는 MOF의 미세한 기공이 일종의 틀 역할을 해 제논 원자들이 자리 잡을 위치를 유도했기 때문이다.

서로 다른 기체를 섞었을 때 흥미로운 분리 현상도 나타났다. 산업적으로 분리 가치가 높은 제논과 크립톤(Kr)을 함께 넣자 제논이 먼저 규칙적인 껍질 형태의 격자를 만들고, 크립톤은 그 중심부에 자리 잡았다. 두 기체가 뒤섞이는 대신 서로 다른 공간에 나뉘어 자리 잡은 것이다.

이는 혼합기체를 분리하는 새로운 방법으로 활용될 가능성을 보여준다. 기존에는 주로 소재에 더 잘 달라붙는 기체를 선택적으로 잡아내는 방식에 주목했다면, 이번 연구에서는 기체가 만드는 ‘배열’에 따라 서로 다른 기체가 공간적으로 나뉘는 새로운 현상을 확인했다.

연구팀은 또 원하는 모양으로 기체를 배열하기 위해 기계학습과 유전 알고리즘을 결합했다. 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 설계하는데 성공했다.

이 기술이 이산화탄소와 수소 등 다양한 기체로 확대되면 목적에 따라 필요한 기체를 선택적으로 포집·분리하거나 효율적으로 저장하는 소재 설계에 활용될 것으로 기대된다.

연구팀은 향후 이산화탄소, 물, 탄화수소 등 보다 복잡한 분자계로 소재 설계를 확장하고 실험 검증과 연계해 응용 가능한 가스 격자 소재 설계 플랫폼으로 연구를 발전시킬 계획이다.

김 교수는 "이번 연구는 기체를 다공성 물질 안에서 결정처럼 줄 세운 첫 사례"라며 "이산화탄소 등 다양한 분자에 적용하면 목적에 맞는 분리·저장 소재를 설계하는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 김영훈·김도훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여하고 김승우 석사과정과 임윤성 박사가 제2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 온라인 게재됐다.

jongseo12@news1.kr