UNIST “분자 모델링 및 시뮬레이션 연구실” (곽상규 교수)

연구실 개요

분자 모델링 및 시뮬레이션 방법론의 발전은 거시적 현상에 숨어있는 개별 원자들의 거동을 합리적으로 설명할 수 있어 방대한 연구 분야에서 활용이 될 수 있다. 특히 최근 슈퍼컴퓨팅 기술의 폭발적 성능 향상은 과거 시간적 제약으로 인해 불가능했던 나노 및 생체 재료 관련 시스템의 구현과 그 분자적 거동에 대한 분석을 가능케 하였다. 따라서, 실험 위주의 소재 개발 혹은 현상 분석의 시간적, 경제적, 기술적 한계를 극복하기 위한 노력의 일환으로 시뮬레이션 방법론을 도입한 계산과학의 적용이 다양한 연구 분야에서 대두되고 있다. 계산 과학의 방법론은 구현하고자 하는 시공 (time and scale) 스케일에 따라 다양하게 존재하며, 주로 sub-atom 수준의 양자역학 기반의 제일 원리 방법, atom 수준의 고전역학 기반 분자동역학 (Molecular Dynamics) 혹은 추계학적 Monte Carlo 전산모사, super-atom 레벨의 조립질 (coarse-grained) 전산모사, 그리고 field 레벨의 continuum 전산모사로 구분될 수 있다. 곽상규 교수의 분자 모델링 및 시뮬레이션 연구실 (Molecular Modeling & Simulation Lab) 에서는 시공 스케일에 따른 방법들을 사용하는 다차원 (multidimensional) 전산모사 방법론 (그림 1)을 기반으로 도전적이고 다양한 주제들에 대해 흥미로운 실험적 현상을 설명할 수 있는 연구를 수행하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 기체 분리 및 흡착

흡착반응은 분자 모델링 과정에서 실험적 현상을 구현할 때 물질 간의 상호작용이 시작되는 가장 첫 단계로서의 의미가 있다. 특히, 본 연구실에서는 제올라이트나 금속유기골격체, 활성탄 등을 포함한 다양한 다공성 흡착제에 대해 기체들의 흡착 장소 및 선택도를 예측하는 연구를 수행하고 있다. 그림 2에서는 활성탄에 다양한 작용기를 도입하여 이산화질소와 암모니아 기체에 대한 흡착능을 파악한 후, 전자구조 분석을 통해 그 원인을 밝혀냄으로써 기체 센싱에 응용한 연구의 예시를 나타내었다. 이러한 기체 분리 및 흡착 연구들에서 얻어진 경험을 반영하여, 본 연구실에서는 ‘C1 가스 리파이너리 사업단’에서 금속염 담지에 의한 활성탄의 향상된 CO 분리능에 대한 연구를 진행하고 있다.

2. 촉매 반응

본 연구실에서는 물질 간 상호작용의 첫 단계인 흡착뿐만 아니라, 실제로 이후 물질 간 반응이 어떻게 진행되는지에 대해서도 관심을 가지고 있다. 특히, 액상의 환경에서 발생하는 분해 반응 경로를 추적하거나 촉매 표면에서의 반응 메커니즘을 계산함으로써, 촉매 물질의 효율성을 예측하고 타겟 물질의 생성 원인에 대한 규명을 수행하고 있다. 그림 3에서는 molten 염화알루미늄 염을 촉매로 사용했을 때의 이산화규소의 환원 반응에 대해서 연구한 예시를 나타내었다.

3. 환경과 에너지

본 연구실에서는 지속 가능한 성장에 필수적인 새로운 에너지 소재를 개발함에 있어서도 도전적인 연구를 진행하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 음극물질, 양극물질, 전해질과 첨가제를 포함한 이차전지 구성 소재의 물성 예측 및 개발을 진행하거나, 전산 스크리닝을 통해 최적의 물질을 찾는 연구를 진행하였다. 그림 4 상단의 예시에서는 열역학적으로 miscible 한 용매에 리튬염을 첨가하여 상 분리 전해질로 기능하게 한 연구에 대해 나타내었다. 이차전지 관련 소재뿐만 아니라, 태양전지의 효율을 개선하는 연구들 또한 진행하고 있으며, 그림 4 하단 예시에서는 perovskite 기반 태양 전지에 유기 hole-transporting material을 도입하여 더 높은 효율을 보일 수 있는 원인을 분석한 연구에 대해 나타내었다.

4. 생체 물질

마지막으로, 본 연구실에서는 생체 분자, 고분자, 세포, 바이러스 등을 구현한 여러 가지 생체 시스템 모사를 통해 생체 내 물질들의 상호작용 기작과 메커니즘을 확인하는 연구들도 수행하고 있다. 해당 분야의 특성상, 앞서 언급된 연구 필드와 다르게 생체 물질에 대한 연구들은 보통 조립질 전산모사 방법론을 동원하여 대단위화된 시공 스케일에서 진행되게 된다. 그림 5의 예시에서는 Mito-FF 분자가 Mito-GG 분자에 비해 더 세포 사멸을 원활하게 유도할 수 있는 원인을 밝혀낸 연구에 대해 나타내었다. 종합하여, 본 연구실에서는 다양한 분야에서 전산모사를 통해 선 실험적인 결과를 예측하거나 특정 현상의 원인을 규명하기 위해 열역학적/전자적 특성을 해석하는 연구를 수행하고 있다.

연구실 현황

분자 모델링 및 시뮬레이션 연구실은 곽상규 교수님을 비롯하여 박사후 연구원 9명, 석박사 통합과정생 13명, 학부 연구생 2명으로 총 25명의 실원으로 구성되어 있다. 최근 5년간, SCI 급 논문 151건 게재 (평균 I.F. 10 이상), 특허출원 7건 및 등록 3건 등의 연구 실적을 보유하고 있다. 현재 다차원 전산모사 방법론의 개발 및기존 방법을 극대한 활용하여 국내외 관련 연구 분야의 선도 그룹으로 거듭나고자 노력하고 있다.