아주대 공동 연구팀, 양자역학 시뮬레이션 및 AI 활용 신소재 탐색·설계 기술 개발

아주대 공동 연구팀의 이번 신소재 탐색·설계 기술에 대한 이미지. 아주대학교 제공

 

국내 연구진이 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용해 금속 할로겐화물 신소재를 탐색·설계하는 기술을 개발했다. 

아주대학교(총장 최기주)는 30일 아주대·한양대·한국세라믹기술원 공동 연구팀이 제일원리 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 기반으로 한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 개발엔 조성범 아주대 첨단신소재공학과 교수와 임원빈 한양대 신소재공학부 교수, 고현석 한국세라믹기술원 박사가 함께 참여했다. 개발과 관련한 내용은 ‘할로겐화물 페로브스카이트 유도체에 대한 고속 스크리닝 및 Cs3LuCl6의 합리적 설계 (High-Throughput Screening on Halide Perovskite Derivatives and Rational Design of Cs3LuCl6)’라는 논문으로 에너지 분야 권위지 <ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)> 8월호에 게재됐다.

양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용한 금속 할로겐화물 신소재 설계 기술 개발의 과정을 나타낸 그림. 아주대학교 제공

실험적인 합성을 통해 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 고체 물질 분야의 연구에서 필수적이다. 그러나 미지의 화학 공간을 탐색하는 것은 상당히 시간과 노력을 요구하는 작업으로, 특히 소재군이 복잡한 구조적 특징을 가지면 그 어려움이 더 크다.

우수한 광전자 특성을 지니고 있어 태양전지나 디스플레이의 소재로 주목받고 있는 금속 할로겐화물 역시 이런 소재군 중 하나다. 이 소재는 페로브스카이트 및 그 유도체로 만들어질 수 있으며, 이러한 소재는 빛과 잘 상호작용할 수 있는 밴드 특성 때문에, 태양전지와 LED(Light emitting diode) 등의 광전자소자 분야에서 주목받고 있다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트의 경우 일반적으로 심플한 ABX3 조성을 가진다. 이러한 페로브스카이트에 구조적 결함 혹은 왜곡이 발생하면 유도체가 형성되며, 그 유도체들의 조성은 A2BX4, A2BX6, A3BX6, A3B2X9 등으로 다양하다. 조성에 따라 형성될 수 있는 결정 구조가 달라지며, 활용 방안 역시 각기 다양하다.

아주대 공동 연구팀은 양자역학 시뮬레이션과 인공지능을 활용해 합성될 수 있는 금속 할로겐화물들을 예측함으로써 페로브스카이트 유도체들에 대한 비밀을 밝혀냈다. 또 이를 통해 새로운 소재를 설계하고 실험적으로 검증함으로써 미지의 화학 공간을 탐색하는 기술을 개발했다.

연구팀은 정밀한 밀도범함수이론(Density Functional Theory) 계산 방법론을 통해 금속 할로겐화물 유도체 탐색 가능성에 대해 검증했다. 이후 소재 데이터베이스 기반으로 학습된 인공지능 모델을 활용, 약 2천개의 구조에 대한 물성을 신속하게 예측했다.

또한 공동 연구팀 중 임원빈 교수가 이끄는 한양대학교 연구팀은 이번에 새롭게 발견된 금속 할로겐화물 중, Cs3LuCl6를 실험적으로 합성했다. 임 교수팀은 기존 LED에 쓰이고 있는 납 할로겐화물 페로브스카이트보다 열적 안정성이 우수한 백색 LED를 성공적으로 구현하는 데 성공했다.

조성범 교수는 “이번 연구를 통해 이전에 알려지지 않았던 금속 할로겐화물 페로브스카이트 유도체들의 화학 공간 정보를 제시, 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 수 있게 됐다”며 “앞으로 고신뢰성 LED를 포함한 디스플레이 등 금속 할로겐화물 기반 어플리케이션 설계에 새로운 가능성을 제시할 것으로 보인다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 삼성미래육성재단의 지원을 통해 수행됐다.

양휘모 기자 return778@kyeonggi.com