신진연구자인터뷰
- 김정석(Jungsuk Kim)
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Single-Site 올레핀 중합촉매 반응메커니즘의 정량적 분석
1. 현재 수행 중이거나 최근에 수행한 본인의 연구에 대해 소개를 부탁드립니다.Alpha-olefin 중합에 사용되는 single-site post metallocene 계열의 촉매를 촉매 구조설계와 반응 메커니즘 및 kinetics 간의 상관관계에 초점을 두어 연구했습니다. 기존의 Ziegler Natta 촉매와 달리 active site가 하나인 single site 촉매는 실험 데이터 분석이 용이하고 따라서 기초반응구성을 추적하는 것 역시 용이합니다. Cossee Arlman 메커니즘을 따르는, 최대 2차 반응으로 이루어진 기초반응만으로 구성된 메커니즘을 이용하여 Monte-Carlo simulation을 통해 반응시간에 따른 반응물과 중합된 chain의 population balance를 풀고, 얻어진 결과를 실험 데이터와 같은 양식으로 재구성하여 fitting을 통해 모사된 메커니즘과 실제 메커니즘과의 유사성을 검증했습니다. Activation/Propagation/Chain-transfer/Deactivation 으로 구성된 최소단위의 메커니즘에서 시작하여 실험 데이터를 모사할 수 있는 최적 rate constant 조합을 추적하고, parameter space에 수렴점이 없을 경우에만 추가적인 기초반응을 가정하고 모사하여 모델메커니즘의 degree of freedom을 늘리고, fitting 결과가 좋을 경우 해당의 추가된 반응의 존재여부를 증명할 실험을 설계하고 수행했습니다. 증명된 메커니즘과 최적화 된 반응속도상수와 촉매의 steric/electronic 구조 성질을 정량적으로 관계지어 최종적으로는 촉매의 정량적 설계가 가능한 library를 구축했습니다.
2. 연구를 수행할 때 가장 어려웠던 점은 무엇이었는지, 그리고 이를 어떻게 해결하셨는지 말씀해 주세요.반응 중인 촉매의 결정구조를 보는 것은 거의 불가능하므로 촉매의 구조적 전환이 수반되는 반응을 가정하고 증명하는 일은 주로 simulation을 통한 간접적인 방법을 동원하게 되고, 이는 community의 동의를 이끌어내기 힘들 때가 종종 있습니다. 따라서 간접적인 측정수단을 쓰되 다른 모든 경우의 수를 배제할 수 있는 증명실험을 설계해야하는 경우가 발생하는데, 널리 알려진 방식의 연구가 아니므로 정해진 방법론 없이 설계자 본인의 재치와 지식만으로 설계를 제시해야 하므로 생소한 반응이나 system을 다룰 경우 증명실험 설계가 더뎌질 수 밖에 없습니다. Simulation 및 분석을 담당하는 사람이 모든 종류의 지식을 익히는 것은 효율적이지 못하므로 그 대신 해당 분야 실험 경험이 많은 실무자와 simulation 측면에서 대화하고 협력할 수 있는 능력을 키워 실험과 simulation 양측 모두의 연구속도향상을 이뤄냈습니다.
3. 연구를 수행하면서 느끼신 점이나 보람이 있었다면?Post metallocene 촉매는 그동안 정성적으로 설계되고 테스트되어 사용되어 왔습니다. 바꿔 말하면, 이미 존재하는 촉매에서 유사하지만 조금 다른 촉매를 만들어보고 그 촉매가 무엇을 만드는지 테스트하여 그 가치를 정해왔습니다. 따라서 촉매의 어떤 부분이 원치않는 side reaction을 만들어내는지, 원하는 반응은 어떻게 촉진되는지 등의 디테일은 연구되기 힘들었습니다. 현재 상용화 된 촉매를 기능적으로 개선하고자 연구를 진행한 적이 있었고, 대부분 이 family에 속하는 촉매는 회사소유의 특허이므로 회사와 콜라보레이션 연구를 하게되었습니다. 분석 및 추정결과를 내놨을때 학계에서 종종 받던 막연한 의심보다는 흥미로움에 가까운 반응을 얻어 발빠르게 연구가 진행됐고 결과적으로 반응설계개선을 이뤄내어 메이저한 연구방식은 아니지만 실용적으로 유의미한 연구를 했고 또 마이너하기때문에 독보적일 수 있다는 보람을 느꼈습니다.
4. 연구를 수행했던 소속기관과 지도교수에 대해 소개를 부탁드립니다.Purdue University- Davidson school of chemical engineering James M. Caruthers: Distinguished professor. Ph.D. Advisor, glassy polymer의 mechanical behavior와 관련하여 오랜 기간 연구를 해왔으며 제가 해온 주제는 비교적 최근에 시작했지만 올해로 10년째 진행중입니다. Research associate으로 20년 가량 함께 해온 Grigori A. Medvedev 박사와 함께 polymer physics 분야에서 aging, rejuvenation 위주로 연구해왔으며 glass transition과 polymer의 구조적성질 및 treatment 방식 간의 상관관계를 정량적으로 해석했습니다. 이러한 해석과정 중에 인연이 됐던, 같은 Purdue 화공과 교수인 Doraiswami Ramkrishna로부터 Monte-Carlo Simulation을 Polymer에 도입해 활용하는 방안을 조언받게되고, 역시 같은 Purdue 화공과 교수인 W. Nicholas Delgass의 DoE 주관 촉매 프로젝트에 함께 참여하게 되면서 제가 진행했던 연구인 olefin polymerization by single-site catalysis를 시작하게 되었습니다. 해당 연구는 Group IV metal 기반의 중합촉매를 설계하기 위한 청사진으로써 촉매구조와 반응간의 정량적 관계 (structure-activity relationship)를 library화 하여 보급하기 위해 시작되었으나 연구가 진행됨에 따라 oligomer의 효율적 분석, 분포조절 등이 가능한 것을 발견하고 또 한편으로는 같은 분석방식을 copolymer에 적용할 수 있도록 발전시켜 현재는 좀 더 세분화 된 주제로 연구가 진행되고 있습니다. 이 외에도 lignin을 활용한 polymer 합성에도 별도의 펀드 없이 독자적으로 연구를 진행하여 polymer와 관련된 전반을 아우르는 폭넓은 연구를 하고 있습니다.
5. 이 분야로 진학하려거나 유학을 준비 중인 후배들에게 도움이 될 만한 말씀을 해 주신다면?Alpha-olefin 중합촉매는 1950년대부터 미국의 주요 화학회사들이 특허확보에 힘써왔고 현재는 그 시기의 특허들이 만료되어 한국 내 화학회사에서도 복제촉매를 생산하며 그 연구를 따라잡으려고 합니다. PE, PP 등으로 대표되는 alpha olefin polymer의 향후 수요 예측까지 덧붙여 보면 해당 연구의 가치는 달리 설명드리지 않아도 되리라 믿습니다. 다만, 이 연구 뿐만 아니라 어떤 연구라도 해당하지만, 혼자만의 능력과 지식으로 좋은 열매를 맺기는 힘들다고 생각합니다. 의존적인 연구를 하는 것은 물론 지양해야겠지만, 보다 광범위한 영향력을 끼치는 연구를 하기 위해선 스스로 모든 것을 다 알고 해결하려고 하기보다 각 분야의 전문가와 의사소통하고 협업할 수 있는 바탕을 기르는 것이 중요하다고 믿습니다. 주변에 휩쓸리지 않는 독립적인 연구자로서 언제든 다른 분야의 전문가들과 협업할 수 있는 마인드를 품으시면 좋겠습니다.
6. 연구 활동과 관련하여 앞으로의 계획이 있다면 소개해 주세요.이 촉매들의 역사를 거슬러 올라가면 그 가치를 인정받은 것은 결국 촉매의 상업성이 인정됐기 때문입니다. 학계에 남아 기초연구를 좀 더 하는 것도 좋겠지만, 이 촉매들을 실제로 상업적 목적으로 사용하고 있는 회사에 가서 제가 했던 연구를 기본적인 프로토콜로 정립시킨다면 전반적인 연구개발 속도를 획기적으로 증진시킬 것으로 생각합니다. 따라서 촉매의 구조와 메커니즘간의 정량적 관계 (quantitative structure-activity relationship)에 관한 연구나 고분자 물성개선과 관련한 반응설계에 관련된 연구를 회사에서 마저 진행하고 정착시켜보려고 합니다.
7. 본인의 주요논문을 소개해 주세요.
- Interaction between Two Active Sites of the Same Catalyst for Macromonomer Enchained Olefin Polymerization, Macromolecules, 2017, 50 (23), pp 9151-9161
- Steric and Solvation Effects on Polymerization Kinetics, Dormancy, and Tacticity of Zr-Salan Catalysts, Organometallics, 2017, 36 (11), pp 2237-2244
- Mechanistic Insights into Chromium Catalyzed Ethylene Trimerization, ACS Catalysis, 2018, 8, pp 6810-6819
- Quantitative Modeling of the Temperature Dependence of the Kinetic Parameters for Zirconium Amine Bis(Phenolate) Catalysts for 1-Hexene Polymerization, ACS Catalysis, 2018, 8, p10407-10418