KAIST 화학과 김형준 교수 연구팀이새롭게 개발한 이론 (uMBD)을 이용한 소재 시뮬레이션 기술과 기능성 소재 설계. 다양한 소재의 시뮬레이션 물성 예측의 정확도 비교.
 

소재 물성 예측 오차율을 기존보다 30% 이상 줄여 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 크게 절약할 수 있는 시뮬레이션 기술이 개발됐다.

김형준 교수

KAIST 화학과 김형준 교수 연구팀은 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄임으로써 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 연구성과는 다양한 기능성 소재의 시뮬레이션 및 새로운 소재 설계 연구에 광범위하게 적용 가능한 기초 방법론으로, ▶배터리 ▶전자 소재 ▶촉매 소재 등 기능성 소재 설계에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

주목받는… 소재 시뮬레이션 기술

새로운 기능성 소재 개발의 중요성이 커지면서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있다.

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 있다.

밀도함수이론(Density functional theory): 물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론의 하나로 Walter Kohn 교수는 이 이론의 개발로 1998년에 노벨화학상을 수상했다.

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

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

소재 물성 예측 오차율… 10% 수준으로 축소

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

연구팀은 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과, 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.

특히 반데르발스 힘은 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 해, 연구팀의 새로운 이론은 다양한 차세대 기능성 소재 설계 연구에 적용 가능할 것으로 기대된다.

실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보인 것으로 확인됐다.

2차원 나노 소재: 육각질화붕소 박막, 그래핀, 전이금속칼코겐 화합물과 같이 원자층 두께만큼 얇은 나노 소재를 의미한다. 특히 우수한 투명성과 기계적 유연성을 지닌 경우가 많아 웨어러블 기기 등에 적합한 차세대 반도체 전자 소재로 각광받고 있다.

김형준 교수는 “소재 개발 연구에 있어 경쟁력 강화를 위해서 기초 연구의 중요성이 점차 커지고 있다”라며 “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 말했다.

김민호박사(공동1저자)
김원준교수(공동1저자)

김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Societry)’ 1월 10일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : uMBD: A Materials-Ready Dispersion Correction that Uniformly Treats Metallic, Ionic, and van der Waals Bonding)

이번 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업과 선도연구센터 지원 사업 (SRC)의 지원을 통해 수행됐다.

박경일     kips1214@naver.com