[신진연구자 칼럼] 기체 분리용 금속-유기 골격체 분리막 개발 동향

1. 서론

일상생활에 필수적인 플라스틱, 고분자, 휘발유 등의 주요성분은 탄화수소이며 이는 대부분 원유로 부터 얻어진다. 이에 전 세계의 석유 화학 산업 (정 유, 석유화학, 정밀화학)은 하루에 연간 9천만 배럴 (Barrel)의 원유를 처리하며 이를 2020년 세계 총인구 수로 나누어 보면 인당 매일 2ℓ의 원유를 소비한다 고 할 수 있다.¹ 이런 엄청난 양의 원유의 분리정제는 현재 대부분 에너지 집약적 증류 공정에 의해 진행되 고 있으며 이에 사용되는 에너지는 한해 연간 총 산 업 에너지 소비량의 절반에 이를 정도이다. 기본적으 로 원유의 분리정제는 기존의 열적 특성 차이 (증류 공정)가 아닌 화학적 친화성 또는 분자 크기와 같은 물리적 특성을 이용하는 것 (분리막)이 가능하다. 실

기체 분리용 금속-유기 골격체 분리막 개발 동향

(Recent Advances in Metal-Organic Frameworks Membranes for Gas Separation)

엄기원

숭실대학교 화학공학과 [email protected]

2009 고려대학교, 화공생명공학과, 공학사 2011 고려대학교, 화공생명공학과, 공학석사

2016 Georgia Institute of Technology, Chemical & Biomolecular Engineering, 공학박사

2017 Georgia Institute of Technology, Chemical & Biomolecular Engineering, Postdoctoral Associate

2019 University of Minnesota, Chemical Engineering and Materials Science, Postdoctoral Associate

그림 1. 수소-메탄 분리에 대한 역-상관관계 결과 (Prior upper bound: 1991, Present upper bound: 2008) Reprinted with permission from ref [7]. Copyright 2008 ELSEVIER.

제로 최근 연구에 따르면 원유와 유사한 조성을 가 진 다양한 탄화수소 혼합물의 막분리 정제에 성공하 여 정유 업계로부터 큰 관심을 받고 있다.² 분리막을 이용한 분리는 상변화를 수반하지 않기 때문에 에너 지 효율적이며, 설치에 필요한 공간을 절약할 수 있 을 뿐만 아니라, 모듈화를 통한 대규모 확장 및 교체/

유지보수 등의 장점이 있다. BBC Research 조사 기관 에 따르면 2014년부터 2019년까지 미국 분리막 시장 의 복합 연간 성장률은 7.9 %를 보여주었으며, 시장 규모는 4조 원에 달했다. 그리고, 그 규모는 2023년에 는 5.1조에 이를 것으로 예측된다.³

특히, 고순도 수소 생산, 천연가스 및 셰일가스 정 제, 온실기체 제거 등 차세대 성장동력 개발에 따른 효율적 고순도 기체 정제 분리 기술의 필요성까지 대 두됨에 따라 세계 각국에서는 합성 가스를 경제적으 로 분리/정제할 수 있는 기체 분리막 기술 개발을 위 해 큰 노력을 기울이고 있다. 현재 기체 분리와 관련 하여 유기고분자 막이 개발되어 산소 부화, 천연가 스에서의 메탄가스 분리 등에 상업적으로 활용되고 있다.⁴ 유기고분자 막은 가공성이 뛰어나 경제적으 로 쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있지만, 낮은 투과 도 (permeability) 및 선택도 (selectivity), 비-응축성 가

스 (예. 수소/질소, 이산화탄소/메탄)에 국한된 제한 된 응용, 고압 조건에서 압밀화 (compaction) 및 가소 화 (plasticization), 등의 문제가 있어서 효율적 고순 도 기체 분리에 기술적 한계가 있다.⁵ 이는 그림 1 에 서와 같이 Robeson plot으로 알려진 투과도와 선택도 의 역-상관관계 그래프 (예, 수소/메탄 분리)에서 고 분자 분리막은 낮은 성능 한계선을 보여주고 있으며 20년간 그 성능 향상 폭이 미미했다는 점에서도 확인 할 수 있다.^6,7 이에 제올라이트, 금속-유기 골격체, 탄 소 분자채, 그래핀, 등 다양한 차세대 분리막 소재 연 구가 진행되었다. 이 중, 금속-유기 골격체 (Metal- Organic Frameworks, MOFs)는 종류의 다양성, 고-투 과, 고-선택성 등 기존 고분자 물질을 대체할 수 있는 분리막 소재로서 뛰어난 분리 특성 뿐만 아니라 다양 한 화학적 분자 흡착 특성 및 열 안정성을 가진다.⁸ 이 에 본 기고에서는 금속-유기 골격체 개발 동향에 관 해서 기술하고자 한다.

2. 본론

기체 분리막 소재로서 금속-유기 골격체의 구 조 및 물리 화학적 특성

그림 2. (A) 금속-유기 골격체 구조 형성 방법 (B) 1971년부터 2011년까지 케임브리지 구조 데이터베이스(CSD)에 보고된 금속-유기 골 격체 구조의 수 (C) 제올라이트-이미다졸레이트 골격체의 종류 및 구조 (C: 검은색, N: 녹색, O: 빨간색, Cl: 분홍색, Zn: 파란 사 면체, Co: 분홍 사면체), Reprinted with permission from ref [10,11]. Copyright 2008, 2013 The American Association for the Advancement of Science.

그림 2 (A)와 같이 금속-유기 골격체는 금속 노드 전구체와 유기 전구체로 이루어져 있으며 두 전구체 가 배위결합을 하면서 분자 단위의 규칙적 기공성을 갖는 결정성 고체 나노 구조를 형성한다.⁹ 금속-유기 골격체는 유기 전구체의 조합을 통해 다양한 위상 배 치를 (topology) 갖는 구조체의 합성이 가능하여 보고 된 금속-유기 골격체 종류(그림 2 (B))만 해도 2만 개 가 넘는다고 알려져 있다.¹⁰ 특히, 지난 10년 동안, 제 올라이트에서 아직 실현되지 않은 결정 토폴로지를 포함하여 90개 이상의 ZIF 구조의 합성이 이루어졌 으며 그 구조는 그림 2 (C)에 도시하였다.¹¹ 이처럼 금 속-유기 골격체는 다양한 기체 분리 활용을 위한 최 적의 공극의 크기와 모양 설계가 가능하며, 넓은 비 표면적을 가지고 있을 뿐만 아니라 유기 전구체의 기 능기 특성 조절을 통한 기체 흡착 성능 조절이 가능

하다는 점 때문에 우수한 분리막 소재로 가능성을 평 가받았다.¹²

최근, 하나 이상의 금속 노드 혹은 유기 전구체 를 갖는 혼합 금속-유기 골격체(mixed linker metal- organic frameworks)를 활용한 “연속적 (continuous)”

기공 크기 조절 가능성에 관한 연구 결과가 발표되 었다. 일반적으로 금속-유기 골격체, 제올라이트 를 포함한 대부분의 다공성 구조체는 전구체의 종 류 변화 혹은 구조 변화에 의한 기공 크기의 “이산적 (discrete)” 변화만을 허용할 수 있다는 것은 잘 알려 져 있다.¹³ 그러나 확산 기반 분자 분리는 유효 기공 크기의 작은 (<0.1Å) 변화에도 매우 민감하여 매우 작 은 범위의 분리만 가능하다. 따라서, 에탄/에틸렌, 질 소/산소 등 산업적으로 관심 있는 기체 분리를 위한 효과적 유효 기공 제조가 이루어지지 못하고 있다.

반면, 두 가지 유형의 유기 전구체를 동시에 포함하 는 혼합 금속-유기 골격체는 일정 범위에서 연속적 인 (continuous) 기공 크기 조절 가능성을 보여줌에 따 라 좀 더 일반적이고 넓은 범위의 분자 분리 플랫폼 가능성을 보여주었다. 예를 들어, 그림 3은 두 종류 (2-methylimidazole/2-imidazolecarboxaldehyde)의 유 기 전구체 로 이루어진 혼합 금속-유기 골격체의 기 체 확산 계수 측정 결과이다. 유기 전구체 비율을 조 절하여 부탄 이성질체들의 확산 계수 (diffusivity)를 2

~ 3 자릿수에 걸쳐 연속적으로 제어 가능하며 선택도 를 조절 할 수 있는 가능성을 보여주었다.¹⁴ 그뿐만 아 니라 낮은 활성 조건 (low activity)에서 물 및 알코올 의 흡착 성능도 제어할 수 있음을 확인하였다. 이러 한 혼합 금속-유기 골격체의 개발은 막의 다양성 및 흡착 기능기 미세 조절을 통한 분자 분리 플랫폼으로 서 금속-유기 골격체 재료의 적용성을 크게 확장시 켰다.

앞서 언급한 바와 같이 금속-유기 골격체의 금속 노드와 유기 전구체간의 배위결합은 열역학적으로는 안정하지만 반응에는 취약 (kinetically unstable) 하다 는 특성이 있다. 이는 Irving Williams series와 Pearson’s rule에 의해 설명될 수 있다.¹⁵ 예를 들어, IRMOF-1는

그림 3. ZIF-8 (2-MeIM)과 ZIF-90 (CHO-IM) 유기전구체의 조 성 변화에 따른 부탄 이성질체 확산 계수 측정 결과.

Reprinted with permission from ref [14]. Copyright 2015 American Chemical Society.

Zn-O 배위결합을 갖고 있으며 대기 중 카복시 그룹 의 물과의 치환을 통해 비-다공성 구조로 쉽게 상을 바꿀 수 있는 등 안정성이 낮았다. 그러나, Al-O 배위 결합을 갖는 MIL-53, Zr-O 결합을 갖는 UIO-66 등이 개발되는 등 안정한 금속-유기 골격체의 개발이 이 루어졌다. 특히, 2006년 Zn-N 결합을 갖는 이미다졸 레이트(Im) 유기 전구체 (예를들어 2-methylimidazole, 2-benzimidazole)와 금속 노드 전구체 (주로 Co 혹 은 Zn)의 조합으로 이루어진 금속-유기 골격체들이 Omer Yaghi 교수 그룹 (UC Berkeley)에 의해 보고되 었다.¹⁶ 이런 금속-유기 골격체는 결합 각도가 145°

로 제올라이트의 Si-O-Si 결합각과 유사하여 제올 라이트-이미다졸레이트 골격체(Zeolite Imidazolate Frameworks)라고 불리며 끓는 물에도 안정할 정도의 안정성을 보이는 것이 확인되었다. 또한, 지난 10년 동안 제올라이트 합성에서 실현되지 않은 결정 토폴 로지를 포함하여 90개 이상의 ZIF 구조의 합성이 가 능하였으며 대부분 열적, 화학적 안정성 보이고 대체 로 5Å 미만의 기공 크기를 보이기 때문에 기체 분리 막 소재로서 뛰어난 가능성을 지니고 있다고 평가받 는다.

제올라이트-이미다졸레이트 골격체 (ZIF)는 유기 전구체가 친수성 기능 그룹을 포함하지 않 는 경우 기본적으로 소수성일 수 있으며 결정학적 (crystallographically)으로 측정된 기공 크기보다 큰 분 자의 통과가 가능할 정도로 충분히 유연 (flexible)한 것이 특징이다. 그 중, ZIF-8(Zn(MeIM)²)², MeIM=2- methylimidazole)은 결정학적 기공 크기(약 3.4 Å)가 많 은 상업적으로 유용한 기체의 유효 분자 크기의 범위 에 있어서, 흡착제 또는 분리막으로 광범위하게 연구 되어 온 물질이다. 그러나 비교적 단단한 구조를 가 진 제올라이트와는 달리 ZIF-8의 기공은 유연하며, 크 기 3.4 Å 전후의 분자들을 날카롭게 "차단"하지 않는다 는 설득력 있는 증거들이 보고되고 있다. 예를 들어, ZIF-8의 유연한 기공 크기는 그 결정학적 기공 크기 를 훨씬 상회하는 4.3-5.8 Å 전후의 운동 직경 (kinetic diameter)를 갖는 일련의 탄화수소 분자들이 투과 가능

한 것으로 보고되고 있다.¹⁷ 이러한 구조적 유연성은 독특한 분리 특성을 가진 잠재적으로 효과적인 분리 막 소재로서 새로운 가능성을 열어주었지만, 흡착 혹 은 확산으로 분리될 수 있는 분자의 범위에 관한 불확 실성을 야기한다. 위 문제를 해결하기 위해 다양한 분 자에 대한 개별적 시뮬레이션 및 흡착 확산 실험을 통 한 특성화 실험 연구가 이루어져야 한다.

금속-유기 골격체 분리막의 원리 및 연구 동향 IUPAC에 따르면, 기공은 크기에 따라 macropores (d > 50 nm), mesopores (2 nm < d <50 nm), micropores (d < 2 nm), ultramicropores (d < 0.7 nm)로 분류된다. 금 속-유기 골격체 분리막의 경우 일반적인 기공의 크 기는 ultramicropores (d < 0.7 nm)이며 기체 분리 특성 은 흡착-확산 이론 (solution-diffusion theory)으로 설 명될 수 있다. 간략하게 설명하자면, 분리막 내부로 의 침투 분자는 분리막의 표면에 흡착 (adsorption) 한 후 화학적 전위차 (chemical potential gradient)에 의해 반대편으로 확산하고 최종적으로 탈착(desorption)된 다. 즉, 기체 분자의 분리는 막의 표면에서 얼마나 많 이 흡착되는지, 막에서 얼마나 빨리 확산하는지 등의 차이를 바탕으로 한다. 이처럼, 분리막 기반 기체 분 리의 경우 혼합물 성분의 용해도와 확산도가 모두 분 리 인자에 이바지한다. 여기에서 기체 분자의 흡착 은 분리막 표면에 있는 분자의 열역학적 친화력에 의 해 좌우되지만, 그 확산도은 골격 기공 크기에 대한 분자의 상대적 크기에 의해 좌우된다. 원칙적으로 분 리하고자 하는 분자 간에 큰 차이의 흡착 및 확산 속 도를 보이면 더 높은 분리도의 성취가 가능하며 용해 도 및/또는 확산도는 유기 전구체 특성에 따라 조정 될 수 있다. 예를 들어, 흡착에 기반한 분리의 경우, 분 자의 분리는 기체의 용해성의 차이에 기초한다. 이 경 우 일반적으로 기공은 분자의 크기보다 크며 구성 요 소의 흡착 정도는 표면 특성을 분석하여 선택적으로 개선할 수 있다. 특히, 일부 금속-유기 골격체에 존 재하는 활성 금속 중심 (active metal center)의 불포화 (unsaturated) 된 금속 부위는 기체 분자와의 정전기적

상호작용을 촉진할 수 있다. 예를 들어, Cu(MIP) (MIP

= 5-methylisophthalate) 금속-유기 골격체 내부의 활 성 구리 중심 (active Cu site)을 활용하여 일산화 탄소 의 이산화 탄소로의 전수 전환 (100 % conversion)에 성 공한 연구가 있다.¹⁸ 분자 크기 기반 분리의 경우, 분 리될 분자의 운동 직경 (kinetic diameter)이 분리에 적 합한 금속-유기 골격체의 기공 크기를 결정한다. 여 기서 주목해야 할 것은 앞서 설명한 것처럼 기공 크기 보다 큰 운동 지름을 가진 분자들도 금속-유기 골격 체 구조의 유연성으로 인해 막을 통과할 수 있다는 것 을 고려해 주어야 한다는 것이다.¹⁷ 예를 들어, 앞서 언 급한 ZIF-8의 경우 결정학적으로 정의된 기공의 크기 (3.4 Å)보다 큰 프로필렌 (4.0 Å)과 프로판 (4.2 Å) 모두 막을 투과할 수 있다. 하지만, 프로필렌은 프로판보다 막 내부 확산 속도가 훨씬 빠르다. 결과적으로 프로판 과 프로필렌의 혼합물이 막의 보유면(retentate side) 측 에서 가압되면 프로필렌는 막의 투과면 (permeate side) 쪽에 농축되고 프로판은 막의 보유면쪽에 농축되어 높은 수준의 분리가 이루어진다.

금속-유기 골격체는 분리막 제작하는 데 있어서 많은 장점이 있다. 예를 들어, 제올라이트 분리막과 는 달리 일반적으로 합성을 위해 고온 고압의 조건 이 필요하지 않다. 즉, 작은 활성화 에너지로도 합

성이 가능할 뿐만 아니라, 형판제 (structure directing agent) 또한 사용하지 않기 때문에 소성과 같은 에너 지 소모적 단계도 생략할 수 있다.¹⁹ 뿐만 아니라, 유 기 전구체의 고분자와의 좋은 상호작용으로 인해 가 격이 저렴한 고분자 지지체의 활용이 기능해졌다.

따라서, 초기 금속-유기 골격체 분리막 합성은 금 속 노드과 유기 전구체를 용매에 용해 시킨 뒤 지 지체와 함께 약한 열처리하여 제작하는 수열 합성 법 (solvothermal)이 대부분이었다. 여기서 금속 노드 와 유기 전구체를 용해한 용액을 분리막 성장 용액 (growth solution)이라 부른다. 수열 합성법은 크게 시 드 성장법 (seed growth method)과 직접 성장법 (in-situ growth method)으로 나뉜다. 시드 성장법 (secondary growth method)은 작은 (<200 nm) 금속-유기 골격체 입자를 분리막 지지체에 미리 분산시킨 뒤 분리막 성 장 용액에 담가 수열 합성함을 통해 선택적인 이종 핵 형성을 분리막 표면에서 유도하는 방법을 말한다.

시드 성장법은 핵 생성 및 박막 성장 단계를 분리하 여 분리막 특성(층 두께, 방향, 결함)을 훨씬 더 잘 제 어할 수 있다는 장점이 있지만, 공정 수가 많고 자동 화가 어려워 경제성이 떨어지기 때문에 산업적 대면 적화에 부적합하다. 직접 성장법의 경우 이런 기존 시드 성장법의 단점을 극복하기 위해 제안되었다. 이

그림 4. Interfacial Microfluidic Membrane Processing (IMMP) 제작 과정, (A) IMMP 반응기에 탑재된 고분자 중공사의 측면도, (B) 중공 사 내벽의 Zn²⁺/1-옥탄올 용액과 외벽의 2mIm/초순수 용액이 공급된 모습, (C) 1-옥탄올/초순수 계면 (고분자 내벽)의 확대 그 림; 두 전구체의 반응에 의해 섬유 내부 표면에 다결정질 ZIF-8 분리막을 형성한다. (D) 제작된 분리막의 단일기체 투과 특성 측 정 결과 (25 C, 1 atm 조건, 프로판/프로필렌 사이에서 큰 선택도 (>180)을 보임). Reprinted with permission from ref [21,23].

Copyright 2014, The American Association for the Advancement of Science. Copyright 2016, American Chemical Society.

방법은 어떠한 전처리도 하지 않은 분리막 지지체를 직접 분리막 성장 용액에 담가 합성하는 방법을 말 한다. 이러한 직접 성장법에 내재된 어려움 중 하나 는 지지체 표면에만 선택적으로 분리막 층을 성장시 키기 위한 이종 핵 형성이 어려우므로 일반적으로 결 함 (defects)이 많은 분리막이 형성된다는 것에 있었 다. 따라서, 지지체와 금속-유기 골격체층 사이의 접 착력 (adhesion)을 향상하기 위한 연구 개발이 이루어 졌으며 대부분 지지체의 화학적 후처리를 통한 접착 력 향상에 관한 연구에 집중하였다.²⁰ 그러나, 지지체 의 후처리는 공정 수를 단축하는 직접 합성법의 장점 을 희석하며 지지체의 화학적 안정성을 확보를 위해 비싼 무기물 지지체 기반에서 이루어졌기 때문에 여 전히 분리막의 상업적 활용은 이루어지지 못하고 있 었다.

이후에도 대면적화에 유리하면서도 가격 경쟁 력 있는 금속-유기 전구체 분리막 개발을 위한 연구 가 이루어졌으며 최근 전처리도 하지 않은 고분자 중 공사 내벽에 금속-유기 골격체 분리막을 제작하는 직접 성장법이 보고되었다.²¹ Interfacial Microfluidic Membrane Processing (IMMP) techniques 라 명명된

본 방법은 서로 섞이지 않는 두 용매 (1-octanol/DI- water)와 다공성 고분자 중공사 내벽을 활용한다. 그 림 4 에 합성 방법에 대한 그림을 도시하였다. 유기/

무기 전구체는 두 용매에 각각 용해되어 있고 중공사 내벽에서 서로 반대 방향으로 확산 (counter diffusion) 된다. 따라서, 결정화 및 이종 핵 생성은 서로 섞이지 않는 두 액체 계면 (=중공사 내벽)에 강제되며 결과 적으로 5~10 µm 두께의 고성능 다결정 금속-유기 전 구체 고분자 중공사 분리막을 형성한다. 사용된 고분 자 중공사는 미세한 직경 (~700µm OD, ~500µm ID) 을 가지고 있으며 높은 (>1000 m²/m³) 표면/부피 비 율 (surface to volume ratio) 갖는다. 또한, 상온 합성 이 가능하며 전처리 혹은 후처리가 필요하지 않기 때 문에 대면적 모듈화에도 유리하다고 평가된다. 기체 분리 성능 또한 우수하였으며 (프로필렌/프로판 선 택도 >180) 실제 상업적 분리막 운전 조건인 고온, 고 압 (>120 °C, 8 bar) 조건에서도 좋은 성능 (프로필렌/

프로판 선택도 >80)을 유지하였다.^22,23 현재 극저온 증 류탑을 통해 분별 정제되는 프로판과 프로필렌은 화 학적 물리적 특성이 유사하여 200개 이상의 이론 단 수 (tray)가 필요하며 에너지 사용량이 많아서 분리 막으로의 대체 혹은 증류탑-분리막 하이브리드화로 인한 큰 에너지 절감 효과가 기대된다. 나아가, 아민 (amine) 계열 분자로 교차 결합된 고분자를 질소 분위 기에서 열분해함을 통해 얻은 다공성 탄소 중공 섬유 를 지자체로 활용한 ZIF-8 분리막은 고분자 지지체에 서 발생하는 팽윤 (swelling) 문제 및 유기물에의 고분 자 분해 문제를 해결함에 따라 기체 분리를 넘어 유 기 혼합물의 분리에 활용될 수 있음을 보였다.²⁴ 예를 들어, 제작된 Carbon supported ZIF-8 분리막은 프루 프랄 탈수 실험에서 200시간 이상 안정적으로 동작 (분리도 20) 함을 보여주었다.

앞서 설명한 것처럼 금속-유기 골격체 분리막은 이상적인 결정화에 필수적인 비균질 핵 생성 및 성장 결정화의 속도를 고려하기 위한 실험 변수들의 열역 학적 거동을 모두 시행 착오법을 통해 검증해야 해서 연구 개발 속도가 매우 더디며 이에 따라 일부 금속-

그림 5. 기상 전구체 치환 기술 (Vapor Phase Ligand Treatment) 을 통한 분리막 용도 변경에 관한 연구. Reprinted with permission from ref [25]. Copyright 2019, John Wiley and Sons.

유기 골격체 (ZIF-8, MIL-101, 및 UIO-66) 와 관련된 연구에만 머물러 있다. 이에 다양한 금속-유기 골격 체를 활용하여 분리의 다양성을 확보하고자 하는 목 표는 아직 달성하지 못하고 있다. 최근, 기상 전구체 치환 기술 (Vapor Phase Ligand Treatment, VPLT)이 개 발 (그림 5)하여 기존 개발된 분리막의 분자채 성능 (molecular sieve properties)을 변경하여 다른 목적의 분 리에 활용하고자 하는 연구가 발표되었다.²⁵ 예를 들 어, 기존의 프로판/프로필렌 분리 성능을 가진 ZIF- 8 분리막을 2-aminobenzimidazole 유기 전구체 기상 후처리 함을 통해 운동 직경이 좀 더 작은 기체 분자 의 분리로 용도 변경하는 것에 성공하였으며 새롭게 발현된 기체 혼합물 분리 성능은 수소/메탄 (선택도 140) 및 산소/질소 (선택도 6)이다. 기존 전구체로 재- 치환하여 기존 분리막 투과 특성 (프로판/프로필렌 분리)을 복원하는데 까지 성공한 VPLT 기술은 분리 막의 확장 가공성(scalability)을 희생하지 않으면서 분 리막 개발 속도를 촉진하고 기존 분리막의 응용 분야 를 추가 확대할 수 있는 기반을 마련하였다는 평가를 받는다.

3. 결론

결론적으로, 금속-유기 골격체는 유연한 기공 크 기와 기능기 미세 조절 가능성으로 인해 기체 분리막 재료로서 큰 관심을 불러일으키고 있다. 그러나 현재 금속-유기 골격체 분리막 합성에 관한 대부분의 연 구는 제올라이트 분리막 기술과 유사한 적용에서부 터 접근했다는 점에 주목해야 한다.¹⁷ 향후 연구는 제 올라이트와는 다른 금속-유기 골격체만의 독특한 특 성에 주목할 필요가 있으며 이런 특성들이 기체 분리 막에 적용된다는 것은 흥미로운 일이 될 것이다. 따 라서 보고된 다양한 금속-유기 골격체 구조에 기초 하여, 많은 새로운 분리막이 개발되어야 한다. 또한, 분리막의 산업적 활용을 위한 대면적화 관련 기술 이 개발되어야 한다. 즉, 다양한 종류의 지지체 표면 에서의 이종 핵 생성/결정 성장과 관련한 조정 화학,

높은 기체 처리량을 확보하기 위한 초박막 제작 기 술, 필연적으로 발생할 수 있는 결함들 (defects; grain boundary, crack, pinhole)의 후처리 수정을 통한 분리 막 선택도 향상에 관한 연구가 이루어져야 한다. 마 지막으로, 분리하고자 하는 기체에 포함된 불순물에 대한 영향성 평가에 관한 연구도 이루어져야 할 것이 다. 특히, 금속-유기 골격체 분리막은 아주 작은 양의 황산화물, 질소산화물 등의 기체에도 매우 민감하여 성능이 크게 저하될 우려가 있어서 이와 관련된 개선 방안에 관련된 연구가 필요할 것으로 예상된다.

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