주족화학 기반 분자변환 연구실(2026년 2월호)
- 洪均 梁
- 2일 전
- 2분 분량
최종 수정일: 1일 전
서울특별시 관악구 1, 자연과학대학 화학부 503동 605호
02-880-6682
주족원소 전자구조 설계를 통한 분자변환 혁신
전이금속 비의존 지속가능 화학 플랫폼의 구축
1 .연구실 개요
서울대학교 화학부 주족화학 기반 분자변환 연구실(책임자: 이은성 교수)은 주족원소의 전자구조와 반응성을 활용하여 새로운 분자변환 기술을 개발하는 선도 연구실이다. 본 연구실은 무기화학·유기화학·재료화학을 융합한 다학제적 접근을 통해 전이금속 중심의 기존 촉매 기술에서 벗어나, 주족원소 기반의 지속 가능한 화학 반응, 고효율 발광체, 초안정 라디칼 시스템을 창출하는 데 주력하고 있다. 특히 13~15족 원소가 지닌 전자적 유연성과 라디칼 안정화 능력을 정밀하게 제어하여, 탄소중립·에너지 전환·첨단 소재 혁신을 위한 기초연구 의 중심적 역할을 수행하고 있다
2. 연구 목표 및 비전
주족화학 기반 분자변환 연구실은 주족원소(13-15족)의 독창적인 반응성, 전자구조적 유연성, 그리고 라디칼 화학의 새로운 가능성을 기반으로 “전이금속 없는 차세대 분자변환 플랫폼” 구축을 핵심 비전으로 삼고 있다. 이에 따라 본 연구실은 기존의 전이금속 중심 촉매 화학이 갖는 비용, 희소성, 독성 문제를 근본적으 로 극복하고, 주족원소의 전자적 다재다능성을 이용한 지속 가능한 촉매·재료·에너지 기술의 과학적 토대를 제시하는 것을 목표로 한다.
첫째, 본 연구실은 Si, Ge, B, P, Bi 등 다양한 주족원소의 전자 구조를 정밀하게 조율하여 차세대 촉매 시스템을 개발하고자 한다. 특히 짝이온 환경을 설계·제어함으로써 CO2와 NOx의 선택적 포집·전환 반응의 효율을 극대화하고, 탄소중립 시대에 필요한 전이금속 대체 촉매 반응 플랫폼을 확립하는 데 중점을 둔다. 둘째, 본 연구실은 유기·무기 라디칼 화학의 경계를 넘나드는 연구를 통해 초안정성 주족 라디칼 기반 전자·에너지 소재를 창출하고자 한다. 이미닐·아미닐 라디칼과 같은 질소 중심 라디칼을 포함한 다양한 주족 라디칼 시스템을 설계하여, 레독스 흐름 전지, 분자전자소자, 광전 소자 등서 활용 가능한 고내구성 전자주개/받개 소재를 개발하는 것을 목표로 한다.
셋째, 광화학 및 발광 소재 분야에서 주족원소 기반 헤테로고리 및 기능성 보론 화합물을 설계하여 고효율·고안정 발광체(OLED, 센서 소재) 개발을 추진한다. 또한 주족원소가 개입된 광반응 메커니즘을 규명함으로써, 구조적 설계와 반응 경로 분석이 가능한 분자 수준의 광전환 플랫폼을 확립하고, 이를 차세대 광촉매 및 전자재료 분야로 확장하고자 한다.
마지막으로, 짝이온-음이온 상호작용을 정밀하게 조절함으로써 CO2의 활성화 및 탈착 메커니즘을 규명하고, 외부 에너지 입력 없이 재생 가능한 ‘무(無)에너지 CO2 온디맨드 방출 시스템(Energy-Free On-Demand CO2 Release)’을 개발하는 것을 비전으로 삼는다. 이러한 연구는 촉매 기반의 가역적 탄소 순환 기술에서 핵심적 역할을 수행하며, 실질적인 탄소중립 공정 구축을 위한 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.
종합적으로 본 연구실은 주족원소의 전자구조 설계, 라디칼 안정화, 광화학 반응 제어를 포괄하는 통합형 Main Group-Driven Molecular Transformation Platform을 구축하고, 이를 기반으로 지속 가능한 미래 화학 기술의 패러다임을 제시하는 것을 최종 목표로 한다.
3. 연구 추진 전략
본 연구실은 주족원소 화학의 핵심 영역을 체계적으로 탐구하기 위해, 서울대학교-포항공과대학교-울산대학교-DGIST로 구성된 다학제적 협력 연구체계를 구축하였다. 원소군별 전문성을 보유한 네 기관의 교수진이 유기·무기 라디칼 화학, 촉매 설계, 광화학, 전자 구조 이론을 통합적으로 연구함으로써, 단일 연구실에서 수행하기 어려운 범위의 집단연구 시너지를 창출하고 있다.
이은성 교수는 N-헤테로고리 카빈(NHC, CAAC)을 활용한 라디칼 설계 및 주족화합물 합성 분야에서 세계적 전문성을 갖추고 있으며, 황승준 교수는 15족 원소 기반 전기화학 촉매 및 구조-반응성 상관관계 규명 연구를 선도하고 있다. 또한 이민형 교수는 13족 원소 기반 광물리·발광체 설계에 탁월한 연구성과를 보유하고, 문혜원 교수는 주족원소 중심 광반응 메커니즘 규명 및 전자전달 촉매 개발을 담당한다. 이들 연구진은 주족원소 중심의 라디칼·촉매·광화학을 유기적으로 통합한 Main Group-Driven Molecular Transforma-tion Platform 구축에 기여하고 있다.
4. 주요 연구성과 및 기대효과
1) 과학기술적 성과
본 연구실의 주요 성과는 공기와 수분에 안정한 세계 최초의 주족 라디칼 시스템을 합성함으로써, 라디칼 기반 촉매 반응의 경로와 전자구조 메커니즘을 정밀하게 규명하는 데 성공하였다. 특히 저마늄 기반 CO2 촉매에서 짝이온 구조가 반응성 및 선택성에 미치는 근본적 영향을 세계 최초로 밝혀, 주족 원소가 중심이 되는 차세대 촉매 설계의 기반을 마련하였다. 더불어 DABNA 계열의 보론 기반 발광체를 기능화하여 고효율 OLED 및 센서용 소재로 발전시키는 데 성공함으로써, 유기 발광체의 구조-성능 상관관계를 탐구하고 차세 대 광소재 개발의 기술적 토대를 확보하였다.
2) 학문적 파급효과
전통적으로 전이금속에 의존해온 촉매 화학의 패러다임을 주족원소 중심으로 확장함으로써, 촉매과학 전반의 개념적 전환을 촉진한다. 또한 라디칼 화학, 광화학, 재료화학을 유기적으로 통합하는 연구 체계를 확 립하여, 기초과학 간의 장벽을 허무는 융합적 연구 방향을 제시하였다. 이러한 학문적 성과는 주족 라디칼의 전자구조·반응성·광물리 특성을 공통의 언어로 다룰 수 있는 새로운 이론적 프레임워크를 제공함으로써, 차 세대 촉매·소재 연구에서의 창의적 접근을 가능하게 한다.
3) 산업적·사회적 파급효과
탄소중립 시대가 요구하는 촉매·전환·저탄소 공정 기술의 핵심 기반을 구축함으로써, 지속가능한 화학 공정 및 탄소 저감 산업의 발전에 직접적으로 기여한다. 또한 고효율 발광체와 광촉매 소재의 산업적 활용 가능성을 제시하여 디스플레이 및 에너지 관련 산업의 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대된다. 더 나아가 주족 라디칼 기반 전자재료의 개발은 차세대 에너지 저장 장치와 양자소재 분야에서 새로운 응용 가능성을 열어, 미래 산업 전반에 걸쳐 높은 사회적 파급효과를 가져올 것으로 전망된다.
서울대학교 주족화학 기반 분자변환 연구실은 주족원소의 전자구조·반응성·라디칼 안정화 기술을 바탕으로 전이금속 의존도를 낮춘 새로운 화학 혁신 플랫폼을 구축하고 있다. 본 연구실은 단순한 소재 개발을 넘어, “Main Group Chemistry for a Sustainable Future”라는 비전 아래 탄소중립·에너지 전환·첨단분자소재 개발을 위한 과학적 기반을 확립하는 것을 목표로 한다.
서울대학교
주족화학 기반 분자변환 연구실
이은성 연구책임자 / 서울대학교 화학과 부교수
이은성 교수는 포항공과대학교에서 학사 및 석사 학위를 취득한 후, 미국 스탠퍼드 대학교에서 유기금속화학 연구로 이학박사 학위를 받았다. 이후 하버드대학교에서 박사후 연구원으로 재직하며 불소화학과 주족화학 연구를 수행하였다. 2013년 포항공과 대학교 교수로 부임하여 주족원소 기반 촉매·라디칼 화학 분야에서 선도적 연구를 수행하였고, 2024년 서울대학교 화학부로 자리를 옮겨 연구를 이어가고 있다. 현재 연구실은 박사후 연구원, 박사·석사과정 및 학부연구생 등 약 25명의 연구원이 참여하며, EPR·단결정 구조 분석·광분광 장비 등 첨단 연구 인프라를 기반으로 세계적 수준의 연 구를 수행하고 있다.
이민형 공동연구자 / 울산대학교 나노에너지화학과 교수
울산대학교 교수는 KAIST에서 이학박사를 취득한 후, Texas A&M 대학교에서 박 사후 연구원으로 근무하며 13족 원소 기반 화학센서·발광소재 연구를 수행하였다. 보론·이리듐계 발광성 화합물의 분자 설계와 에너지 준위 제어에 전문성을 갖고 있으며, 본 연구에서는 13족 원소의 전자구조를 활용한 광전환·발광소재 개발을 주도하고 있다.
황승준 공동연구자 / POSTECH 화학과 부교수
포항공과대학교 교수는 하버드대학교에서 박사학위를 받고, MIT에서 박사후 연구원으로 재직하며 15족 원소(As, Sb, Bi)의 오비탈 조율과 반응성 제어 연구를 선도하였다. 주족원소의 기하구조-전자구조 상관관계 분석에 강점이 있으며, 본 연구에서는 음이온성 주족화합물의 반응 메커니즘 규명과 CO₂ 활성화를 위한 전기화학 촉매 개발을 담당한다.
문혜원 공동연구자 / DGIST 화학물리학과 조교수
대구경북과학기술원(DGIST) 교수는 MIT에서 박사학위를 취득하고 Max-Planck 연구소에서 박사후 연구원으로 근무하며 주족화합물 합성 및 광화학·촉매 반응 메커니즘 연구를 수행하였다. 15족 화합물의 전자이동 과정과 라디칼 중간체 분석에 전문성을 보유하며, 본 연구에서는 주족 촉매의 광반응 메커니즘과 원자단 전달 반응 개발을 맡아 핵심 기여를 하고 있다.
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