오차율 10% 內 소재 설계 기술 개발
오차율 10% 內 소재 설계 기술 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.30 03:20
  • 조회수 957
  • 댓글 0
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요약

 

소재 물성의 예측오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄여 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술이 개발됐습니다. 연구진은 반데르발스 힘을 정확하고도 효율적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고 이를 밀도범함수 이론에 적용했는데요. 이로써 다양한 물질에서 소재 특성 예측의 정확도를 높이는 데 성공했습니다.

KAIST 화학과 김형준 교수 연구팀이 소재 물성의 예측 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄였습니다. 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄인 건데요. 정확도를 한층 더 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술입니다. 이로써 소재 개발에 걸리는 시가노가 비용을 크게 절약할 수 있을 전망입니다. 해당 연구는 <Journal of the American Chemical Societry>에 게재됐습니다.

소재 개발하는데 시간, 비용 단출될까. 출처: KAIST
소재 개발 시 시간·비용 단출될까. 출처: KAIST

양자이론에 바탕을 둔 가상실험

 

새로운 기능성 소재 개발의 중요성이 커지면서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있습니다. 소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측 및 설계하는 기술로 주로 밀도범함수 이론(Density functional theory)이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있습니다. 

  • 밀도범함수 이론

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나로 Walter Kohn 교수는 이 이론의 개발로 1998년에 노벨화학상을 수상했습니다.

  • 반데르발스 힘

1910년에 노벨 물리학상을 수상한 네덜란드 물리학자 반데르발스가 약 150년 전 발견한 힘으로 순간적인 편극에 의해 분자들이 서로 잡아당기는 힘을 말합니다. 게코도마뱀이 벽에 달라붙어 자유롭게 움직이는 것도 생체 분자와 벽 사이에 작용하는 반데르발스 힘 때문으로 알려져 있습니다.

기존의 밀도범함수 이론은 소재 계면에서 반데르발스 힘을 정확하게 설명하지 못한다는 문제가 존재했습니다. 반데르발스 힘은 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 당기는 힘을 말하는데요. 이를 정확히 기술하지 못하기 때문에 소재 물성 예측 정확도가 떨어진다는 한계가 존재했습니다. 

 

반데르발스 힘 정확히 기술해 시뮬레이션 기술 정확도 높이다

 

연구팀은 반데르발스 힘을 정확하고 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고 이를 밀도범함수 이론에 접목해 소재 시뮬레이션 기술의 정확도를 한층 높이는 데 성공했습니다. 

새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계. 출처: KAIST
새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계. 출처: KAIST

연구팀은 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했습니다. 특히 반데르발스 힘은 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 했는데요. 

 

연구팀의 새로운 이론은 다양한 차세대 기능성 소재 설계 연구에 적용 가능할 것으로 기대됩니다. 실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보인 것으로 확인됐습니다. 

김형준 교수. 출처: KAIST
김형준 교수. 출처: KAIST

 

 

 

김형준 교수는 "소재 개발 연구에 있어 경쟁력 강화를 위해서 기초 연구의 중요성이 점차 커지고 있다"며 "새로 개발한 소재 시뮬레이션 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것"이라고 말했습니다. 

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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