소재를 구성하는 가장 기본 단위는 물질을 구성하는 원자다. 원자가 쌓이고 움직여 다니며 상호작용해서 만드는 것이 소재의 물성이다. 이를 파악하면 소재를 어떤 분야에 응용할지 결정할 수 있다. 하지만 1 나노미터(nm·10억 분의 1m)도 채 되지 않는 원자의 움직임을 따라가면서 그 특성까지 결정하는 일은 쉽지 않다.

이동화 포스텍 신소재공학과 교수가 이끄는 전산나노소재(CNMD) 연구실은 컴퓨터로 계산한 원자의 움직임을 바탕으로 그 특성을 밝혀내고 응용분야를 찾아 가장 효과적으로 적용하는 방법을 알아내는 연구를 진행하고 있다. 

연구실은 주로 원자 내부의 전자 움직임에 집중하는데 소재 안에서 전자가 분포를 확인해 소재의 물성을 알아낸다.

이동화 포스텍 신소재공학과 교수

전자의 움직임을 파악하는 데는 양자역학을 활용하는 제일원리 계산법이 쓰인다. 제일원리계산은 기본 물리법칙과 상수만으로 원자나 전자의 움직임을 계산하는 방법이다. 정확도와 효율성이 입증되며 최근 각광받고 있다. 수많은 전자가 담긴 소재에서 전자들의 상호작용을 파악하려면 엄청난 계산 능력이 필요하다. 연구실은 2500개 컴퓨터 코어를 연결해 만든 슈퍼컴퓨터 클러스터로 소재의 비밀을 하나하나 풀고 있다.

소재에서 새로운 물성을 파악하면 그 다음으로는 응용 분야를 찾는다. 지금까지 연구실에서 발견한 새로운 소재들은 에너지, 배터리, 연료전지, 태양전지 등 다양한 분야에 적용됐다. 지난해 9월에는 구리를 바탕으로 하는 페로브스카이트 물질이 낮은 온도에서 빛을 잘 통과시키는 것을 발견해 이를 스마트 윈도우에 적용하는 방법을 국제학술지 ‘미국화학회지’에 발표하기도 했다.

 

역사상 인류의 삶을 증진시킨 소재들을 대부분 수많은 인고의 시간을 통해 발굴된 것들이다. 하지만 계산으로 소재의 물성을 알아내면 수많은 실험을 통해 하나의 소재를 찾아내는 시간을 줄일 수 있다.

연구실은 현재에 만족하지 않고 더 효율적으로 빠르게 소재 성능을 밝혀내는 연구를 진행하고 있다. 제일원리가 밝혀낸 소재 데이터들을 기계학습을 적용해 학습함으로써 조성이나 첨가 원소를 찾는 연구도 활발하다.

▼포스텍 전산나노소재 연구실 보기

※대학 연구실은 인류의 미래에 어떤 일들이 펼쳐질지 엿볼 수 있는 창문입니다. 인류 지식의 지평을 넓히는 연구부터 실제 인간의 삶을 편하게 하는 기술 개발까지 다양한 모험과 도전이 펼쳐지고 있습니다.  오늘도 연구실마다 교수와 연구원, 학생들이 머리를 맞대고 열정을 펼치고 있습니다.  연구자 한 명 한 명은 모두 하나하나의 학문입니다. 동아사이언스는 210개에 이르는 연구실을 보유한 포스텍과 함께 누구나 쉽게 연구를 이해할 수 있도록 2분 분량의 연구실 다큐멘터리, 랩큐멘터리를 매주 수요일 소개합니다.

관련기사

• [랩큐멘터리]다양한 자극에 변신하는 궁극의 반도체 소재를 꿈꾸다
• [랩큐멘터리]난치병 원인 '단백질 수명' 결정하는 신호를 탐색한다
• [랩큐멘터리]드론기술이 낳은 폐해, 발전된 기술로 막는다
• [랩큐멘터리]물고기 수은 중독 원인 찾는 환경과학수사 
• [랩큐멘터리]철강재료 특성 결정하는 미세조직의 세계 밝힌다
• [랩큐멘터리] 최적화로 최고의 컴퓨팅 성능 찾는다
• [랩큐멘터리] 귀에 들리지 않는 초음파 음악 작곡해 환자 치료한다
• [랩큐멘터리]가장 완벽한 화합물 공장, 세포로 새 물질 찾는다