판데르발스 힘 보정으로 오차율 10% 이내의 소재 물성 예측 성공해
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판데르발스 힘 보정으로 오차율 10% 이내의 소재 물성 예측 성공해
  • 정수헌 기자
  • 승인 2020.05.26 23:27
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(논문명) uMBD: A Materials-Ready Dispersion Correction that ... - 'Journal of the American Chemical Society'

화학과 김형준 교수와 창원대학교 김원준 교수 공동연구팀이 분자 간 작용하는 판데르발스 힘을 고려한 보정을 통해 소재의 정확한 에너지를 예측하는 시스템을 개발했다. 이번 연구는 지난 1월 10일 <미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)> 온라인판에 게재됐다.

 

국소적인 에너지만 고려한 기존 이론

새로운 소재를 설계하거나 새로운 물질을 가상으로 개발할 때 적합한 물질을 탐색하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션에는 밀도범함수 이론(Density Functional Theory)이 활용되고 있다. 밀도범함수 이론은 물질 내의 전자 구조와 에너지를 다루는 이론이다. 물질의 에너지를 예측하는 것은 물질의 특성이나 물질 사이의 물리화학적 변화를 예측하는 데 필수적이다. 상관 에너지는 전자 간의 상호작용에 의한 에너지 중 전자의 운동이 서로 영향을 주며 발생한다. 판데르발스(van der Waals, vdW) 힘은 장거리에서 일어나는 상관 에너지로 이해할 수 있다. 기존의 밀도범함수 이론은 국소적인 상관 에너지만 제대로 기술하기 때문에 경우에 따라 미흡한 예측을 보인다는 한계가 있었다.

기존 예측 시스템과 연구에서 개발한 시스템의 오차율여러 물질에 적용해본 결과, 기존의 예측 시스템에 비해 연구팀이 새롭게 개발한 uMBD(파란색 그래프)의 오차율이 확연히 낮은 것을 확인할 수 있다.ⓒ김형준 교수 제공
기존 예측 시스템과 연구에서 개발한 시스템의 오차율
여러 물질에 적용해본 결과, 기존의 예측 시스템에 비해 연구팀이 새롭게 개발한 uMBD(파란색 그래프)의 오차율이 확연히 낮은 것을 확인할 수 있다.
ⓒ김형준 교수 제공

​​​​​​​많은 수의 입자 고려하는 보정 필요

연구자들은 밀도범함수 이론을 기반으로 다양한 보정을 통해 물질의 에너지를 정확히 예측할 수 있는 시스템을 개발해 왔다. 특히 판데르발스 힘은 장거리의 분자들 사이에서 작용할 수 있고, 분자량과 관련되어 있기 때문에 질량을 가지는 어느 원자나 분자 사이에서도 나타난다. 따라서 많은 수의 입자가 존재할 때 판데르발스 힘을 정확히 예측하기 위한 보정 방법은 중요한 문제였다. 쌍별 보정(Pairwise Correction)은 두 입자의 상호작용만 고려하기 때문에, 더 많은 수의 입자 간 상호작용을 고려하려는 방법이 시도되었다. 하지만 여러 종류의 고체와 시스템에 대해서 항상 만족스러운 정확도를 가지는 방법의 개발은 성공하지 못했다. 

 

다양한 물질과 시스템 정확히 예측해

이번 연구에서는 많은 수의 입자 간 상호작용을 고려하는 다체 분산 보정과 함께 판데르발스 힘을 고려하는 vdW-보정을 밀도범함수 이론에 적용했다. 개발한 다체 분산 보정이 고려된 vdW-보정 밀도범함수 이론을 사용해 예측 시스템을 제작했으며, 실제 상황에 적용해 에너지 예측의 정확도를 확인했다. 다른 유형의 상호작용이 뒤섞여 일어나는 경우의 정확도를 보장하는 것은 다양한 물질과 시스템을 예측하는 용도로 예측 시스템을 사용하기 위해 필수적이다. 따라서 리튬 이온 전지 소재인 리튬 코발트 산화물의 리튬화/탈리튬화 실제 공정을 선택해 다양한 재료의 구조와 에너지를 정확히 예측함을 확인했다. 또한, 광범위한 시스템에서 예측의 성능을 기존 시스템과 비교해 보았다. 그 결과 유기 분자 쌍(22종), 유기물 결정(23종), 알칼리(토)금속(12종), 이온성 결정(28종), 유기분자의 금속 표면 흡착(11종)과 같은 다양한 비결합성 상호작용에 대해 기존 시스템에서는 40%에 달하던 오차율이 10% 이내로 줄어듦을 확인했다.

 

이번 연구 결과는 배터리 전환 촉매 소재, 2차원 나노 소재 등 다양한 기능성 소재 설계 연구에 적용될 가능성이 높다. 김형준 교수는 “판데르발스 보정 이론이 에너지와 구조 예측에서는 정확도를 높일 수 있지만, 전자 구조 예측의 정확도를 높이는 것은 아니다”며, “전자 구조를 더욱 정확히 기술하는 하이브리드 밀도범함수 이론과 판데르발스 보정 이론을 결합하는 연구를 통해 복잡한 소재 물성을 예측하는 정확도를 다각도로 높일 것이다”라는 향후 연구 계획을 전했다.


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