한국과학기술원(KAIST)은 김형준 화학과 교수 연구팀이 물성 예측 정확도를 강화한 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.

이번 소재 시뮬레이션 설계 기술은 어떤 물체의 성질을 예측하는 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄였다는 장점을 갖는다. 이에 따라 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다.

다양한 소재의 시뮬레이션 물성 예측의 정확도 비교. /KAIST 제공

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소재 시뮬레이션 기술은 실제로 소재를 합성하고 평가하기 전에 가상 실험으로 다양한 소재 물성을 예측 및 설계하는 기술이다. 주로 ‘밀도범함수 이론(Density functional theory)’이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있다.

그러나 기존의 밀도범함수 이론은 소재 계면에서 ‘반데르발스 힘’을 정확하게 설명하지 못한다는 문제가 있었다. 즉, 정확히 기술하지 못하기 때문에 소재 물성 예측 정확도가 떨어진다는 얘기다.

반데르발스 힘은 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 당기는 힘을 뜻한다. 분자 소재부터 금속 및 반도체 소재에 이르기까지 거의 모든 재료 내에서 소재 물성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.

연구팀은 이번에 계면에서 나타나는 반데르발스 힘을 정확하고 효과적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발했다. 100여 종의 다양한 소재 실험 결과, 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.

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 것이다"라고 말했다.

이번 연구에는 김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여했다. 논문은 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Societry)’ 1월 10일 자 온라인판에 실렸다.

김태환 기자(topen@chosunbiz.com)

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