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제일원리 계산과 실험과의 괴리

전문가 제언: ○ 재료의 표면물성은 흡착물, 표면의 원자구조나 화학적 조성 등 주위 환경에 매우 민감해서, 표면물성에 대한 실험연구는 아주 까다로운 조건에서 제한적으로 수행하지 않으면 왜곡되기 쉽다. 따라서 재료의 물성을 예측하거나 실험결과를 정확하게 분석하려면 제일원리에 의한 계산방법이 물성연구에 가장 중요하고 실제로 전이금속의 자성연구나 나노기술과 접목되어 다양하게 활용되고 있다.

○ 제일원리를 이용하면 원자나 전자의 구조를 모델화 할 수 있는데, 제일원리계산법으로는 슈도포텐샬(pseudo potential)이 가장 정확한 계산법으로 알려져 있으며, 이보다 다소 정확도는 떨어지지만 계산부담이 적은 tight-binding법도 이용되고 있다. 밀도범함수론에 바탕을 둔 슈도포텐셜 제일원리 계산법은 양자역학적 물성을 연구할 수 있게 해주며 많은 연구 분야에서 활용하는 가운데 그 한계도 잘 알려져 있다.

○ 제일원리 계산을 위해 초기에 개발된 Car-Parrinello 코드도 지금은 대규모 병렬 계산에 효율적인 VASP(Vienna Abinitio Simulation Program)으로 바뀌면서 현존하는 제일원리 전자계산법 가운데 가장 뛰어나다고 평가받고 있다.

○ 최근엔 이를 보완하는 경험적 포텐샬 함수와 운동학적인 NEB(Nudged Elastic Band)법, 그리고 작용유도분자동역학(Action derived molecular dynamics) 방법도 개발되었고, 이러한 최신 기법들은 병렬 컴퓨터의 막대한 계산능력의 향상에 힘입어 계산의 정확도를 높여서 실제 실험 치에 근접하는 성과를 얻고 있다.

○ 이에 따라 자연모사나 생체모방 등 나노 고기능성 소재개발에서 제일원리 계산법은 여전히 중요한 도구로서, 최근 국내학자가 밀도범함수이론(DFT)을 보완하여 다양한 물질의 물성을 유한 온도에서 파악할 수 있는 동역학적 평균장이론(DMFT)을 새로 개발하여 플루토늄의 특이한 물성을 밝혀내는 등 선진국과의 격차를 크게 좁히고 있어서 기대되고 있다.

저자: Kazuaki KOBAYASHI
자료유형: 학술정보