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새로운 기능성 소재 설계 오차율 10%로 줄인다

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새로운 기능성 소재 설계 오차율 10%로 줄인다

2020.01.29 14:00
KAIST 제공
KAIST 연구팀이 기존에 오차율이 40%에 달했던 소재 물성 예측 분야에서 오차율을 10% 이내로 줄이는 기술을 개발했다. 반데르발스 힘을 정확하게 분석하는 기술로, 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 전망이다. KAIST 제공

국내 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 새로운 기능성 소재를 기존보다 더 정확하게 설계하는 기술을 개발했다. 

 

KAIST는 오차율이 40%에 이르던 소재 물성 예측 분야에서 오차율을 10% 이내로 줄이는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 

 

최근 새로운 기능성 소재를 개발하는 일이 중요해지면서 컴퓨터 시뮬레이션으로 소재 물성을 정확히 예측해 새로운 소재를 설계하는 기술이 주목받고 있다. 소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측하고 설계하는 기술이다. 주로 양자이론 중 하나인 ‘밀도범함수 이론’을 바탕으로 하고 있다. 이 이론은 물질과 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 양자역학으로 계산하는 방법이다.
 
하지만 밀도범함수 이론으로는 소재 계면에서 발생하는 반데르발스 힘을 정확하게 설명하지 못한다는 한계가 있다. 반데르발스 힘은 전하가 일시적으로 쏠리면서 분자가 순각적으로 극성을 띠면서 나타나는 인력이다. 지금까지는 이 힘을 정확히 분석하지 못해 소재 물성을 예측하는 데 정확도가 떨어졌다. 

 

김형준 KAIST 화학과 교수팀은 반데르발스 힘을 정확하게 설명할 수 있는 새로운 이론을 개발했다. 이 이론을 기존의 밀도범함수 이론에 접목시켜, 소재의 물성을 예측하는 데 정확도를 높였다. 연구팀이 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과, 기존 방법으로는 소재 물성을 예측하는 데 생기는 오차율이 약 40%였는데, 새로 개발한 기술을 통해 10% 이내로 줄었음을 확인했다. 반데르발스 힘은 분자와 금속, 반도체 등 거의 모든 재료 내에서 발생하고 소재의 물성에 영향을 주기 때문에 이번에 개발한 기술이 다양한 차세대 기능성 소재를 설계하는 데 활용될 전망이다. 

 

김형준 교수는 “소재를 개발하는 연구 분야에서 기초연구가 점점 중요해지고 있다”며 “이번에 개발한 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

 

이 연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지’ 온라인판 10일자에 실렸다. 

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