고압 용기 없이도 산소를 고체 상태로 안전하게 저장할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 해당 기술은 폭발 위험 없이도 상온·상압 조건에서 고효율 산소 저장이 가능해, 응급의료 장비, 우주 항공기, 수중 장비 등 산소 활용이 필수적인 산업군 전반에 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대된다.

국립한국해양대학교(총장 류동근)는 윤지호 교수 연구팀이 유기 클라스레이트* 기반의 고체 산소 저장체를 개발하고, 이를 통해 기존 고압 탱크 수준의 저장 용량을 실현했다고 밝혔다.

* 클라스레이트: 포접화합물의 한 종류로써, 주체 분자가 규칙적으로 배열된 격자형 구조를 이루며 형성된 빈 공간(동공) 내에, 작은 크기의 객체 분자가 물리적으로 포획되어 형성된 결정성 고체 물질.

산소는 의료, 수처리, 수산양식, 반도체 제조, 항공 및 국방 등 폭넓은 산업 영역에서 필수 자원으로 활용된다.

그러나 일반적으로 산소는 고압가스 형태로 저장되어, 폭발 위험성과 운송·보관의 제약, 고비용 문제가 지속적으로 제기되어 왔다.

특히, 응급 현장이나 극한 환경에서는 고압 탱크 사용이 구조적으로 어려워, 보다 안전하고 효율적인 산소 저장 솔루션에 대한 연구가 필수적이다.

이에 연구팀은 하이드로퀴논이라는 방향족 분자를 기반으로 한 하이드로퀴논 클라스레이트* 구조체를 설계하였다.

이 구조는 하이드로퀴논 분자들이 수소 결합을 통해 자발적으로 3차원 네트워크를 형성하고, 그 내부의 나노 기공에 산소 분자를 선택적으로 포획·저장하는 시스템이다.

* 하이드로퀴논 클라스레이트: 클라스레이트 포접화합물의 일종으로서 수소 결합으로 연결되어 있는 하이드로퀴논 분자 동공에 작은 객체 분자(가스, 용매 등)가 포접되어 있는 고체 물질.

본 연구의 가장 큰 특징은 아래와 같다.

하이드로퀴논 클라스레이트는 상온, 1기압 조건에서 최고 성능 MOF 대비 약 3배에 달하는 산소 저장 능력을 보이며, 이는 고압 산소탱크(8 MPa)의 저장 용량과 유사한 수준이다.

극저온이나 고압과 같은 특수한 조건 없이도 상온(25 ℃), 상압(1 atm)의 환경에서 산소를 고체 형태로 장기간 저장할 수 있다.

고체 상태로 저장된 산소를 반복적이고 가역적으로 포획 및 방출할 수 있으며, 시스템 온도 설정에 따라 산소 방출 속도를 정밀하게 제어할 수 있다.

분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 하이드로퀴논 분자와 산소 분자 간의 상호작용 메커니즘을 규명하고, 하이드로퀴논 클라스레이트가 나노구조 수소 결합 네트워크를 형성하며 선택적으로 산소 분자를 포획하는 과정을 정량적으로 제시하였다.

윤지호 교수는 “본 기술은 산소를 고체 형태로 안정적이고 효율적으로 저장할 수 있으며, 의료현장이나 항공·우주, 국방, 해양 산업 등에서 핵심 인프라 기술로 활용될 수 있다”며, “후속 연구를 통해 기술의 상용화 가능성을 탐구할 예정”이라고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자지원사업, 박사과정생연구장려금지원사업으로 수행된 이번 연구 결과는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 국제학술지인 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 2025년 6월 24일 표지논문으로 게재되었다.

- 논문출처: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03314

ACS Nano 2025년 6월 24일 표지논문 이미지