소재분석 시뮬레이션기술

신소재공학과에서는 다양한 소재분석, 시뮬레이션 기술을 활용해 소재의 구조, 물성 등을 분석하고 예측하는 연구를 진행합니다.

이는 전자현미경을 이용해 소재의 구조를 원자단위에서 관찰하는 초정밀 분석으로부터 시작해서 물리적 자극이 가해졌을 때,

소재 내부에서 벌어지는 동역학 프로세스를 관찰하는 펨토초 레이저 기반 초고속 분석, 소재 데이터베이스와 기계학습 플랫폼을

활용해 신소재를 개발하고 물성을 최적화하는 기계학습 기반 소재 분석, 슈퍼컴퓨터를 활용해 소재의 물성을 이해하고 예측하는

멀티스케일 시뮬레이션들을 의미합니다.

신소재공학과에서는 다양한 소재분석, 시뮬레이션 기술을 활용해 소재의 구조, 물성 등을 분석하고 예측하는 연구를 진행합니다. 이는 전자현미경을 이용해 소재의 구조를 원자단위에서 관찰하는 초정밀 분석으로부터 시작해서 물리적 자극이 가해졌을 때, 소재 내부에서 벌어지는 동역학 프로세스를 관찰하는 펨토초 레이저 기반 초고속 분석, 소재 데이터베이스와 기계학습 플랫폼을 활용해 신소재를 개발하고 물성을 최적화하는 기계학습 기반 소재 분석, 슈퍼컴퓨터를 활용해 소재의 물성을 이해하고 예측하는 멀티스케일 시뮬레이션들을 의미합니다.

ultra-precise materials analysis

초정밀 소재 분석

모든 소재는 원자로 구성되어있고, 원자들의 규칙적인 배열인 결정 구조로부터 소재의 독특한 특성이 발현됩니다. 따라서 새롭게 합성된 소재의 특성을 밝히기 위해 가장 먼저 연구되어야 할 것은 소재 구조를 분석하는 것입니다. 광학현미경으로 물체를 확대하여 관찰하듯이 전자현미경의 발달로 원자 단위의 정밀한 소재 구조를 시각화하는 것이 가능해졌습니다. 더불어, 정밀 소재 분석 도구의 개발로 외부 열 또는 전류에 반응하는 소재 미세 구조 변화를 실시간으로 확인할 수 있습니다. 이러한 초정밀 분석법을 금속, 산화물, 배터리, 반도체 등 다양한 소재에 적용함으로써 물성 발현의 구조적 메커니즘을 밝힐 수 있고, 이는 차세대 산업 발전의 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

ultra-fast materials analysis

초고속 소재 분석

펨토초 (Femtosecond, fs)는 10-15 초로 빛 조차 300 나노미터 밖에 진행하지 못하는 매우 짧은 시간입니다. 하지만 소재 내부에 전자는 1 ~ 10 fs 마다 다른 전자와 충돌하고 ~ 1,000 fs 마다 격자와 충돌하거나 포획됩니다. 전자가 전기를 흘리고, 빛을 흡수하거나 방출하는 찰나를 포착하면 전자 소자나 광소자의 내부 소재의 문제점을 정확히 알 수 있습니다. 이러한 정보는 바탕으로 완전히 새롭고, 혁신적인 특성을 갖는 소재를 개발하는데도 활용할 수 있습니다. 이렇듯 소자의 성능을 결정하는 소재의 전하 전도, 광흡수, 광방출, 정보 저장 시간 등 물리적 특성들을 정확히 이해하고 개선하려면, 전자가 전기, 자기, 빛, 열, 기계적 충격이 가해졌을 때 대응하는 일련의 동역학 과정을 정확히 파악해야 합니다. 이를 위해 저희 신소재공학과는 펨토초 수준에서 소재 내부 미시적인 거동을 분석할 수 있는 초고속 레이저 분광 분석법을 활용하여 소재의 특성을 분석하는 연구를 진행하고 있습니다.

Machine-learning-based materials analysis

기계학습 기반 소재 분석

기계학습은 인간의 인지적 기능을 모방한 것입니다. 연구자가 실험 결과를 분석하여 특정한 규칙을 찾는 것과 동일하게 데이터를 활용하여 패턴을 학습하고 학습된 패턴으로부터 재료의 물성을 추론하는 연구를 의미합니다. 예를들어, 많은 사진들의 학습을 통해 눈, 코, 입, 귀, 머리 등의 규칙적인 배열이 사람의 얼굴에 해당한다는 것을 학습함으로써 처음보는 사진에서 사람의 얼굴에 해당하는 부분을 찾아낼 수 있는 것처럼 다양한 원자 배열의 소재가 갖는 물성에 대한 데이터베이스를 학습함으로써 아직 알려지지 않은 새로운 소재의 물성을 예측하는 것이 기계학습 기반 소재 연구 입니다. 이러한 소재 데이터베이스와 기계학습 플랫폼을 활용하여 필요한 특성의 소재를 빠르게 찾거나 새로운 소재의 물성을 높은 정확도로 예측하는 기계학습 기반의 소재 연구를 진행하고 있습니다.

Multiscale simulations

멀티스케일 시뮬레이션

멀티스케일 시뮬레이션은 컴퓨터 기반의 다양한 테크닉을 이용해 실험으로 밝히기 어려운 소재 내 복잡한 현상들에 대해 이해하고 분석하는 기법입니다. 개별 원자나 전자로부터 시작해서 실생활에 활용되는 장치에 이르기까지 다양한 시·공간 스케일에서 재료 내에 일어나는 복잡한 현상들을 제일원리, 분자동역학, 열역학, 상장모델, 유한요소법등 다양한 계산기법들을 활용하여 이해하고 분석하는 학문입니다. 최근에는 이를 활용해 실험을 하지 않고서도 빠른 시간 내에 새로운 소재의 물성을 정확하게 예측하여 저비용 고효율로 신소재를 개발하고 다양한 응용분야에 맞게 최적화하는 연구도 진행중에 있습니다.