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□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 컴퓨터 시뮬레이션만으로 나노소재 구조 스펙트럼*을 도출할 수 있는 기술을 개발했다. 

 * 물질에서 방출되거나 물질에 흡수되는 스펙트럼을 분석해 물질을 식별하는 방법 

ㅇ 생기원 탄소경량소재그룹 김정필 수석연구원은 양자화학계산*을 활용해 다양한 나노소재의 구조 스펙트럼을 얻는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 * 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 원자와 전자의 움직임부터 분자구조의 물성 또는 화학 반응을 이론적으로 설명하는 계산 방식  

ㅇ 이 방식을 활용하면 소재 샘플이나 분광기 없이도 실제 스펙트럼과 동일한 구조의 스펙트럼 도출이 가능해 단시간에 방대한 양의 스펙트럼 결과를 확보할 수 있다. 

□ 반도체, 2차 연료전지 등의 핵심 소재로 사용되는 탄소소재는 합성 시 소재의 구조를 최적화하기 위해 여러 차례의 중간 분석 과정을 거친다. 

ㅇ 소재 분석에는 주로 형상분석과 분광분석이 쓰이는데, 형상분석은 현미경으로 구조를 파악할 수 있어 직관적인 결과를 얻을 수 있는 반면 한 번에 분석할 수 있는 범위가 좁아 시간이 오래 걸린다. 

ㅇ ‘X선 광전자 분광’이나 ‘라만분광기’를 활용하는 분광분석은 보다 넓은 영역을 분석할 수 있지만, 스펙트럼 결과만 얻을 수 있어 정밀한 구조 관측이 어렵다는 단점이 있다. 

ㅇ 스펙트럼은 물질의 특성을 신호 형태로만 보여주기 때문에 분광분석의 경우 관찰자는 스펙트럼 결과를 토대로 실제 구조를 추측할 수밖에 없다. 

□ 김 수석연구원은 양자화학계산으로 모든 원자의 에너지 값을 구한 후 컴퓨터 시뮬레이션 모델링을 통해 수 백 개의 다양한 나노소재 구조를 이미지화 하는 데 성공했다. 

ㅇ 이를 데이터로 구축한 다음 실제 분광 스펙트럼 결과와 대조하면, 분광 스펙트럼의 장점을 살리면서도 형상분석과 같은 정밀한 구조 이미지를 얻을 수 있다. 

□ 김정필 수석연구원은 “반도체, 에너지 저장소자, 마이크로 LED 등 나노 단위의 소재 및 디바이스 성능을 높이려면 소재의 정밀한 구조분석이 중요하다”고 설명하며 “확보한 기술에 인공지능 기술을 접목해 분광분석만으로 소재의 구조를 이미지화 하는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다. 

□ 이번 연구 결과는 물리화학 분야 국제학술지 ‘저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(The Journal of Physical Chemistry Letters, JPCL)’ 11월 표지논문*에 선정됐다. 

  * 논문제목 : Spectroscopic Differentiation of Structural Transitions from Carbon Nanobelts to Carbon Nanotubes