'빛 쬐면 스톱' 촉매 세계 최초 개발…초미세 반도체 공정 활용

홍석원 광주과학기술원 교수팀

빛에 가역적으로 감응하는 루테늄 복분해 촉매.

[아시아경제 김봉수 기자] 한국 연구팀이 세계 최초로 빛을 쬐면 화학반응을 멈추도록 할 수 있는 촉매를 개발했다. 기존 광(光) 스위칭 촉매들은 모두 빛을 받을 시 반응이 시작됐으나 이번 연구는 빛을 받으면 반응이 멈추는 최초의 사례이다.

광주과학기술원(GIST·지스트)은 홍석원 화학과 교수 연구팀이 빛을 이용해 반응성을 실시간으로 조절할 수 있는 루테늄 올레핀 복분해 촉매를 개발했다고 16일 밝혔다.

루테늄(ruthenium)은 백금족 원소의 하나로, 단단하면서도 잘 부스러지는 금속이며 수소화(水素化)·산화의 촉매가 된다. 올레핀 복분해(olefin metathesis)는 루테늄과 같은 금속 촉매를 이용해 출발 물질의 탄소-탄소 이중 또는 삼중 결합이 분해되어 각각 새로운 탄소-탄소 이중 또는 삼중 결합 화합물을 형성하는 반응을 말한다. 다양한 작용기를 가지는 고리, 비고리 알켄 및 고분자 합성에 사용된다.

자연이 만들어낸 최고의 촉매인 효소는 외부 자극에 의해 유기적으로 활성, 비활성 상태를 전환할 수 있다. 이에 화학자들은 단순한 촉매를 넘어서 외부 자극으로 전환 가능한 기능성 촉매를 만들기 위해 도전하고 있다. 복분해 촉매 반응은 유기화합물에 새로운 결합을 형성하게 하거나 다양한 작용기 도입을 가능하게 하여 고분자, 연료의 첨가제, 의약물질과 같은 생물학적 활성을 지닌 유기 화합물의 합성 등에 폭넓게 응용되었다. 최근에는 이러한 복분해 반응을 외부 자극을 통해 스위칭이 가능한 촉매 개발이 진행되고 있다. 기존의 광 스위칭 촉매들은 모두 빛을 받을 시 반응이 시작되는 복분해 촉매만 존재했다. 연구팀이 개발한 스위칭 촉매는 기존과는 반대로 빛을 받을 시 반응이 멈추는 첫 사례이다.

연구팀은 빛에 감응하는 아조벤젠(두 페닐기가 N=N 이중결합으로 연결된 분자) 작용기가 빛을 받을 시 구조가 바뀜에 착안하여 이 구조를 기존 복분해 촉매에 도입함으로써 빛에 따라 구조가 바뀌는 촉매를 확보할 수 있었다. 개발된 촉매는 여러 복분해 반응에서 빛에 따른 극적인 반응성 차이 (60배 ~ 300배)를 보이며 이는 동일 전략을 이용한 기존 촉매의 반응성 차이(1.5배 ~ 2.5배)보다 크다. 또 반응 중 빛 조사조건을 바꿔주면 그에 따라 반복적으로 반응성이 온오프(on-off) 전환 될 수 있음을 보였다.

홍 교수는 “이번 연구 성과는 빛으로 반응을 멈출 수 있는 첫 촉매 사례라는 점에서 그 의의가 크다” 면서, “개발된 온오프 스위칭 촉매를 이용해 빛을 이용해 극히 미세하고 복잡한 전자회로를 반도체 기판에 그려 집적회로를 만드는 '포토리소그래피'와 같은 빛을 이용한 패터닝(patterning) 기술 적용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 미국 화학회 발간 'ACS Catalysis'에 이달 1일 온라인 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr