한국과학기술원(KAIST)은 화학과 김형준 교수 연구팀이 소재 물성의 예측 오차율을 기존 기술보다 30% 이상 줄여 정확도를 한층 높인 소재 시뮬레이션 설계 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
 
최근 새로운 기능성 소재 개발이 중요해짐에 따라 신소재 개발 속도를 높이기 위해 시뮬레이션 기반 소재 설계 기술이 각광을 받고 있다.
 
특히 실제 실험적 합성과 평가에 앞서 양자 역학에 기반을 둔 제일원리 시뮬레이션을 이용해 소재 물성을 예측하고 검사하는 기술은 소재 개발 프로세스의 패러다임을 기존의 시행착오 기반에서 예측 설계로 변화시키고 있다.
   
이 제일원리 소재 시뮬레이션 기술은 주로 밀도범함수 이론 (Density functional theory, DFT)이라는 양자 이론에 바탕을 두고 있으며 이는 소재의 원자 구조와 소재 간의 상호작용을 꽤나 효율적이고 정확하게 예측하는 것으로 알려져 있다.
 
하지만 밀도범함수 이론이 전하의 일시적 쏠림으로 인해 분자가 순간적으로 극성을 띠면서 나타나는 반데르발스 힘을 정확히 기술 못하는 한계점이 있고 이는 밀도범함수 이론을 바탕으로 이루어지는 소재 물성 예측의 정확도를 떨어뜨리는 주된 원인으로 거론되어 왔다.
 
또 지난 십여 년 동안 반데르발스 힘을 보정해 밀도범함수 이론의 정확도를 높이고자 하는 시도가 활발히 이루어져 왔고 상대적으로 간단한 유기물 사이의 반데르발스 힘만을 정확하게 기술하는 것은 성공했지만 일반적인 금속 물질이나 이온 결합 물질, 반도체 물질 등에서 광범위하게 높은 정확도를 확보하는 것은 실패해 왔다.
 
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 반데르발스 힘을 정확하고도 효율적으로 기술할 수 있는 새로운 이론을 개발하고 이를 밀도범함수 이론에 적용하여 다양한 물질에서의 소재 특성 예측에 정확도를 높이는데 성공했다.

연구과정을 보면 100여 종의 다양한 소재를 테스트한 결과 40% 정도에 달했던 기존의 소재 물성 예측 오차율이 새 기술을 통해 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.
 
또 실제로 연구팀의 새 시뮬레이션 방법을 통해 리튬 이온 배터리 물질의 전압이나 2차원 소재의 박리 에너지를 예측하는 과정에서 높은 정확도를 보였다.
 
 이 연구결과에 의하면 이번 기술 개발을 통해 기존 40%에 달했던 소재 물성 예측 오차율을 10% 내로 줄임으로써 소재 개발에 걸리는 시간과 비용을 절약할 수 있음을 제시했다.
 
김형준 교수는 “새로 개발한 소재 시뮬레이션 기술을 배터리 소재, 에너지 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용할 수 있을 것이다”고 말했다.
 
카이스트 김민호 박사와 창원대 김원준 교수가 공동 1 저자로 참여한 연구결과는 국제 학술지 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 1월 10일 게재됐다.
 
이 연구는 한국연구재단의 미래소재디스커버리 사업과 선도연구센터 지원 사업(SRC)의 지원을 통해 수행됐다.