컴퓨터 시뮬레이션 기술로 전지의 화학반응 예측한다.

 
- 전지 성능저하의 원인인 계면막(SEI) 형성을 예측하는 시뮬레이션 기술 개발
- 전극의 계면막 제어를 통한 전지 성능 향상 및 수명 개선 기대

 

리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 휴대폰, 노트북, 디지털 카메라 등에 많이 사용되고 있다. 리튬이온전지는 충․방전을 거듭할수록 전극 표면에서 산화·환원 반응을 통해 전극-전해질 계면막(SEI, Solid-Electrolyte Interphase)이 형성되어 적층되는데 이것이 전지의 성능을 저하시킨다. 최근 국내 연구진이 이러한 전지의 계면현상을 이해하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 나노 단위에서 전극의 계면반응을 빠르게 예측할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

<그림 1> 리튬이온배터리 실리콘 전극 표면에 계면막(SEI)이 생성되는 과정을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 기술

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 한상수 박사 연구팀은 ‘리액티브 포스 필드’(ReaxFF, Reactive Force Field)라는 자체 개발한 시뮬레이션 기술을 통해 실리콘(Si) 전극과 다양한 종류의 전해질 간의 화학반응을 예측할 수 있는 소프트웨어(S/W)를 개발함으로써, 화학반응 중에 생성되는 다양한 계면막 구성성분(유·무기화합물) 및 가스 생성 메커니즘을 규명하고, ‘안전하고 우수한 전해질·첨가제 선택의 조건’을 정립했다고 밝혔다. 전지를 반복적으로 충․방전 하면, 계면막이 형성되어 전지의 성능(수명, 용량 등) 및 안전성에 결정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 간혹 휴대폰 혹은 노트북 충전 시 전지가 부풀어 오르거나 폭발하는 사고를 볼 수 있는데, 원인은 계면막 형성과 직결되어 있으나 현재의 분석 장비로는 이러한 계면 반응을 분석하기가 불가능하다는 것이 일반적인 견해였다.

<그림 2> 실리콘 전극과 에틸렌카보네이트(EC) 전해질과의 계면반응 예측. (a) 시간에 따른 전해질 분해 및 가스 생성물 변화량. (b) 전해질이 분해되어 일산화탄소 가스가 생성되는 과정. (c) 에틸렌 가스가 생성되는 과정

<그림 3> 계면막(SEI) 층 내부 리튬무기물 분포량 분석 프로파일

연구진은 시뮬레이션 기술을 통해 계면막 내의 가스 성분이 방출되는 과정을 실시간으로 모니터링 가능하며, 각 가스 성분이 미치는 영향을 파악하고 이를 제어하는 방법에 대한 결과를 제시할 수 있다고 밝혔다. 또한 연구진은 개발된 시뮬레이션 기술을 온라인상에 그래픽사용자인터페이스(GUI, Graphical User Interface) 환경을 기반으로 하는 리튬이온 배터리 시뮬레이션 플랫폼인 ‘iBat’(http://battery.vfab.org) 내에 장착함으로써 계산전문가가 아닌 실험연구자도 쉽게 계면막 형성거동을 예측해 볼 수 있도록 무상으로 제공(*2017년 6월 1일(목) 공개)하고 있다.

<그림 4> KIST 계산과학연구센터 주도로 개발된 리튬이온배터리 시뮬레이션 플랫폼 ‘iBat’ 메인화면(http://battery.vfab.org)

 

KIST 한상수 박사는 “전해질의 종류에 따라 각종 전극 표면에서 계면반응을 미리 예측함으로써 우수한 전해질 및 첨가제 개발의 비용을 절감하고 개발 시기를 앞당길 수 있다”라고 말하며, “또한, 이 기술은 기존 계산과학기술의 한계였던 소규모 샘플링 방법을 극복해 실제 실험과 유사한 조건에서 결과를 도출해 낼 수 있다”라고 말했다. 연구진이 개발한 이 기술은 향후 탈리튬계 이차전지, 연료전지 및 촉매 개발 등에 폭 넓게 활용될 전망이다.

 

본 연구는 미래창조과학부 지원의 KIST 기관고유사업, 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 물리화학분야 국제학술지인 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters / IF : 9.353, JCR 분야 상위 2.86%)' 7월 6일(목)자로 출판되었다.

 

* (논문명) Simulation Protocol for Prediction of a Solid-Electrolyte Interphase on the Silicon-based Anodes

             of a Lithium-Ion Battery: ReaxFF Reactive Force Field
           - (제 1저자) 한국과학기술연구원 계산과학연구센터 윤강섭 박사과정
                           한국과학기술연구원 계산과학연구센터 배성진 박사후과정
           - (공동 교신저자) 한상수 박사 (한국과학기술연구원 계산과학연구센터)
                                  김선재 교수 (세종대학교)

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KIST 계산과학연구센터 이광렬 박사, 소재부터 신약까지 웹상 가상실험실 개발

“누구든 활용가능 계산과학 환경 만들 것”

 

물리, 화학, 생물, 공학 등 다양한 연구분야를 망라할 수 있는 연구실. 비이커나 화학제품, 배양기 등이 놓여있을 것이란 예상과 달리 이 실험실에서 필요한 것은 '컴퓨터' 뿐이다. 컴퓨터로 다양한 연구를 할 수 있는 비결은 '계산과학'에 숨어있다.

 

계산과학을 이용하면 직접 실험이 불가능한 현상을 컴퓨터 계산을 이용해 모사하거나, 전자와 원자, 분자 등 가시영역 이하에서 물질의 거동을 체계적으로 연구할 수 있다. 나노기술과 단백질연구, 생명과학 등 많은 연구자들이 계산과학자들과 융합해 연구 중으로 이미 많은 분야에 중요한 기초과학으로 자리 잡고 있다.

 

'연구자라면 누구나 계산과학을 쉽게 활용할 수 있었으면 좋겠다'는 일념으로 온라인에 계산과학연구랩을 구축하는 과학자가 있다. KIST 계산과학센터의 이광렬 박사다.

 

이 박사팀이 개발한 가상연구랩은 노트북 하나만 있으면 어디서든지 연구가 가능하다. 원하는 샘플을 선택해 분석하고 샘플 간 반응이 원자단위에서 어떻게 일어나는지 등을 볼 수 있다. 눈앞에서 실험과정을 상세하게 살펴볼 수 있게 도와주는 복잡한 계산환경 구축은 이광렬 박사팀에서 만들어 제공한다.

 

(이광렬 박사는 최근 계산과학을 통한 IT 및 소재기술 융합 혁신적 연구개발선도를 인정받아 나노코리아 2016 기술혁신상 수상한 바 있다.)

 

이광렬 박사는 "계산과학이 우리의 연구방식을 바꾸게 될 것"이라고 말했다. 단순히 연구를 편하게 해주는 보조적 역할에서 벗어나 연구를 통해 모아진 데이터 속에서 의미 있는 지식을 만드는 새로운 방식의 연구가 진행될 수 있다는 분석이다. 그는 "IT기술의 발전으로 가시화된 빅데이터, 계산과학 등 새로운 연구방식을 연구자들이 적극적으로 받아 들여야 한다"고 설명했다. 박사팀이 개발 중인 가상연구랩은 새로운 연구방식의 시발점이 될 것으로 기대된다.

 

이광렬 박사전하는 계산과학의 중요성이 설득력을 가지는 이유는 계산과학자이기 전, 소재를 직접 개발했던 실험연구자였기 때문이다. 신소재부터 신약에 이르기 까지 다양한 분야의 연구자들이 계산과학을 활용할 수 있도록 기반을 마련하고 싶다는 이광렬 박사를 만났다.

 



"계산과학이 뭐요?"…연구비 없었던 과학자들, 의기투합


"2000년 초반에는 계산과학이 생소했던 때라 연구비가 없었습니다. 각자 사업비를 각출해 컴퓨터를 사고 계산과학 연구를 시작했습니다."

 

2001, 이광렬 박사를 포함한 5명의 연구자들이 한 자리에 모였다. 이들의 공통관심사는 '계산과학'이었다.

 

(예를 들어) AB를 융합했을 때 C라는 새로운 소재가 나오는 이유를 정확히 설명할 길이 많지 않았던 당시, 전자와 원자들의 움직임, 반응 등 살아있는 정보가 필요했던 연구자들은 이 고민을 계산과학이 풀어줄 것으로 기대했다.

 

"다이아몬드상 탄소 (DLC) 막코팅분야에 계산과학을 접목한 첫 연구에서 그동안 알기 어려웠던 '과정'을 눈으로 확인할 수 있었습니다. 계산과학이 보여줄 수 있는 멋진 결과였죠. 그 때부터 계산과학이 정말 중요한 역할을 하겠구나라는 생각이 들었습니다."

 

이 박사와 동료들은 타분야 연구와 계산과학의 융합 토대를 만들고 KIST 지원으로 출연연 최초 계산과학센터를 설립했다.

 

해를 거듭할수록 눈부시게 성장하는 컴퓨터 성능은 계산과학을 연구하기 좋은, 할 수 밖에 없는 시대를 열었다. 실험적인 예측과 관찰, 분석결과를 이해하기 위해 보조적으로 쓰였던 계산과학이 시뮬레이션 등 다양한 기술과 융합돼 결과를 예측하고 검증하는 등 과학기술을 아우르는 기초연구분야가 됐다.

 

이에 KIST는 계산과학을 통해 질소산화물을 낮은 온도에서도 처리할 수 있는 새로운 촉매 개발 (하헌필 박사팀 기술 개발 후 기업 이전), 조소혜·최희채 박사팀의 태양전지 효율을 높이기 위한 형광체 기술개발, 바다 기름유출 해결 초발수성 스펀지 연구에 성공하는 등 숨은 조력자로 역할을 톡톡히 하고 있다



계산과학 활용, 계산과학자와 타분야 연구진 윈-윈


"계산과학의 플랫폼이 점차 중요해지고 있습니다. 많은 연구자들이 활용할 수 있는 플랫폼 환경을 만들기 위해 웹상에 '버추얼팹''iBat'를 만들었습니다. 계산과학자 없이도 연구자 스스로 웹상에서 원하는 샘플을 만들어 실험하고 분석하는 작업환경을 제공하는 것이 목표입니다."

 

이광렬 박사팀은 2009부터 온라인상에서 계산과학을 자유롭게 활용할 수 있는 버추얼팹을 개발했다. 버추얼팹은 실제 실험실처럼 샘플 준비실, 공정실 및 분석실 등으로 나눠져있다. 사용자가 가상의 샘플을 가지고 다양한 실험과 분석이 가능하다.


실험과 분석을 오가며 실험할 수 있으며, 대표적 반도체 공정 장비와 현미경, AFM, STM 등 분석 장비 등이 이곳에서 활용 가능하다. 더 나아가 실험적 분석에서는 불가능한 극단적인 분석 (예를 들어 원자 별 응력상태나 전자의 분포 등) 수단도 같이 제공하고 있다.



또 이광렬 박사팀은 ()인실리코서울대학교포항공과대학교서강대학교와 2017년 개방을 목표로 또 다른 계산과학가상랩인 iBat의 베타 테스트를 진행중이다.

 

iBat은 이차전지용 나노소재의 최적 물성을 예측하고 연구개발의 방향을 제시할 수 있는 플랫폼으로서 전자-원자-연속체 기법의 멀티스케일 시뮬레이션 수단을 웹상에서 제공한다이러한 플랫폼은 이차전지용 나노소재의 연구개발 비용과 시간을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구진이 음극 설계실에서 실리콘 음극을 만든 뒤 리튬과 설정 온도와 자극 시간을 설정하니 반응이 일어나면서 어떤 방식으로 샘플 구조가 변화하는지시스템에너지가 어떻게 변하는지 등을 실시간으로 볼 수 있었다.

 

이광렬 박사팀은 1년간 베타버전의 시험을 통해 직접 연구개발에 iBat을 활용하면서 기능들을 검증하고 하고 있다또 초보자들도 플랫폼을 활용할 수 있도록 꾸준히 매뉴얼을 업로드하는 중이다.

 

iBat환경은 다양한 비지니스 창출의 창구가 될 것으로 기대된다구글이 빅데이터를 통해 가치를 창출하듯 많은 사람들이 접속해 만들어낸 빅데이터로 전혀 새로운 마켓이 탄생할 수 있을 것이라는 것. iBat 개발자들은 개발한 기술을 바탕으로 창업을 하기도 했다.

 

또 이 박사는 가상의 계산과학랩이 계산과학자들의 연구 방법론을 발전시키는데도 도움이 될 것으로 전망했다.

 

그에 따르면 지금은 연구자들이 계산과학이 필요할 때 계산과학자들을 찾는데 대부분의 경우 고유역량을 확대하기보다 가지고 있는 역량을 사용하는 수준에 머물러 자기역량을 확대하기 쉽지 않은 환경에 놓여있다.

 

그는 "다양한 연구자들이 손쉽게 계산과학을 활용할 수 있는 환경을 만들어 활용하게 하는 것은 우리에게도 새로운 도전이자 계산과학의 첨단방법론을 발전시키기 위한 연구로 이어질 것"이라고 설명했다.

 





Posted by KIST PR

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