생기원, 컴퓨터 시뮬레이션만으로 '나노소재 구조 스펙트럼' 구현

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국생산기술연구원(이하 생기원)은  탄소경량소재그룹 김정필 수석연구원이 컴퓨터 시뮬레이션으로 나노소재 구조 스펙트럼을 도출할 수 있는 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
 
나노소재 구조 스펙트럼은 물질에서 방출되거나 물질에 흡수되는 스펙트럼을 분석해 물질을 식별하는 방법이다.

이 기술은 양자화학계산을 활용한다.  컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 원자와 전자의 움직임부터 분자구조의 물성 또는 화학 반응을 이론적으로 설명하는 계산방식이 양자화학계산이다.

이를 통해 소재샘플이나 분광기 없이도 실제 스펙트럼과 동일한 구조의 스펙트럼 도출이 가능, 단시간에 방대한 양의 스펙트럼 결과를 확보할 수 있다.

반도체, 2차 연료전지 등의 핵심소재로 사용되는 탄소소재는 합성 시 소재의 구조를 최적화하기 위해 여러차례 중간분석과정을 거친다.
 
소재분석에는 주로 형상분석과 분광분석이 쓰이며 형상분석은 현미경으로 구조를 파악할 수 있어 직관적인 결과를 얻을 수 있는 반면 한번에 분석할 수 있는 범위가 좁아 시간이 오래 걸린다.
 
또 'X선 광전자 분광'이나 '라만분광기'를 활용하는 분광분석은 넓은 영역을 분석할 수 있지만 스펙트럼 결과만 얻을 수 있어 정밀한 구조관측이 어렵다는 단점이 있다.       
 
스펙트럼은 물질특성을 신호형태로만 보여주기 때문에 분광분석의 경우 관찰자는 스펙트럼 결과를 토대로 실제 구조를 추측할 수밖에 없다. 

이번에 생기원 김 수석연구원은 양자화학계산으로 모든 원자의 에너지 값을 구한 후 컴퓨터 시뮬레이션 모델링을 통해 수 백 개의 다양한 나노소재 구조를 이미지화 하는 데 성공했다.
    
이를 데이터로 구축한 다음 실제 분광 스펙트럼 결과와 대조하면 분광 스펙트럼의 장점을 살리면서도 형상분석과 같은 정밀한 구조 이미지를 얻을 수 있다.
 
이번 연구 결과는 물리화학 분야 국제학술지 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(The Journal of Physical Chemistry Letters, JPCL)' 11월 표지논문으로 선정됐다.(논문명 : Spectroscopic Differentiation of Structural Transitions from Carbon          Nanobelts to Carbon Nanotubes)

김정필 수석연구원은 "반도체, 에너지 저장소자, 마이크로 LED 등 나노단위의 소재 및 디바이스 성능을 높이려면 소재의 정밀한 구조분석이 중요하다"며 "확보한 기술에 인공지능 기술을 접목, 분광분석만으로 소재의 구조를 이미지화 하는 후속 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다.


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