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세계 최초 양자컴퓨팅으로 레고처럼 다공성 물질 설계
다성분 다공성 물질(Multivariate Porous Materials, MTV)은 일종의 ‘레고 블록 집합’과 같이 분자 수준에서 맞춤형 설계가 가능한 소재로, 원하는 구조를 자유롭게 구현할 수 있다. 이를 활용하면 에너지 저장·변환을 비롯해 다양한 응용이 가능해 환경 문제 해결과 차세대 에너지 기술 발전에 크게 기여할 수 있다. 우리 연구진은 여기에 양자컴퓨팅을 세계 최초로 도입해 복잡한 MTV 설계의 난제를 해결했으며, 이를 통해 차세대 촉매·분리막·에너지 저장 소재 개발의 혁신적 길을 열었다.
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 양자컴퓨터를 활용해 수백만 가지 다성분 다공성 물질(이하 MTV)의 설계 공간을 효율적으로 탐색할 수 있는 새로운 프레임워크를 개발했다고 9일 밝혔다.
MTV 다공성 물질은 두 종류 이상의 유기 리간드(링커)와 금속 클러스터와 같은 빌딩 블록 물질 간의 결합을 통해 형성되는 구조로 에너지 및 환경 분야에서 큰 활용 가능성을 갖고 있다. 이는 다양한 구성 조합을 통해 새로운 구조를 설계 및 합성이 가능하고, 대표적으로는 가스 흡착, 혼합가스 분리, 센서, 촉매 등이 있다.
하지만, 구성 성분이 다양해질수록 가능한 조합의 수가 기하급수적으로 늘어나, 기존 방식인 고전 컴퓨터를 이용해 모든 구조를 하나하나 확인하는 방식으로는 복잡한 링커 조합의 MTV 구조의 설계 및 물성 예측이 불가능했다.
연구팀은 복잡한 다공성 구조를 ‘지도 위에 그려진 연결망(그래프)’처럼 표현한 뒤, 각 연결 지점과 블록 종류를 양자컴퓨터가 다룰 수 있는 큐비트로 바꿔 넣었다. 그리고 ‘어떤 블록을 어느 비율로 배치하면 가장 안정적인 구조가 될까?’라는 문제를 양자컴퓨터에게 풀도록 했다.
양자컴퓨터는 동시에 여러 가지 경우를 겹쳐서 계산할 수 있기 때문에, 마치 수백만 가지 레고 집을 한 번에 펼쳐놓고, 그중 가장 튼튼한 집을 빠르게 골라내는 것과 같은 효과를 냈다. 이 덕분에 기존 컴퓨터가 하나씩 다 계산해야 했던 막대한 경우의 수를 훨씬 적은 자원으로 탐색할 수 있다.
또한 연구팀은 실제 보고된 MTV 구조 4가지를 대상으로 실험했는데, 시뮬레이션 뿐만 아니라 IBM 양자컴퓨터에서도 동일한 결과가 나와 ‘실제로도 잘 작동한다”는 가능성을 보여줬다.
앞으로는 이 방법을 머신러닝과 결합해 단순한 구조 설계뿐 아니라 합성 가능성, 가스 흡착 성능, 전기화학적 특성까지 한 번에 고려하는 플랫폼으로 확장할 계획이다.
김지한 교수는 “이번 연구는 복잡한 다성분 다공성 소재 설계의 병목을 양자컴퓨팅으로 해결한 첫 사례”라며, “이번 성과는 탄소 포집·분리, 선택적 촉매 반응, 이온전도성 전해질 등 정밀 조성이 핵심인 분야에서 맞춤형 소재 설계 기술로 폭넓게 응용될 전망이며, 향후 더 복잡한 시스템에도 유연하게 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 생명화학공학과 강신영·김영훈 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제 학술지 미국 화학회지(ACS Central Science) 8월 22일자 온라인판에 게재됐다.
※ 논문명: Quantum Computing Based Design of Multivariate Porous Materials
※ DOI https://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00918
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 이종소재지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2025.09.09 조회수 3221 -
김지한 교수, 인공지능 이용한 다공성 물질 역설계 기술 개발
〈 김지한 교수 연구팀 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 인공지능을 활용해 원하는 물성의 다공성 물질을 역설계하는 방법을 개발했다.
김백준, 이상원 박사과정이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 3일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Inverse Design of Porous Materials Using Artificial Neural Networks)
다공성 물질은 넓은 표면적과 풍부한 내부 공극(孔劇)을 가지고 있어 촉매, 기체 저장 및 분리, 센서, 약물 전달 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
기존에는 이러한 다공성 물질을 개발하기 위해 반복적인 실험을 통한 시행착오를 거치면서 시간과 비용이 많이 소모됐다. 이러한 낭비를 줄이기 위해 가상 구조를 스크리닝해 다공성 물질 개발을 가속화 하려는 시도들이 있었지만, 데이터베이스에 존재하지 않는 새로운 구조를 발견하지 못한다는 문제가 있었다.
최근에는 인공지능 기반의 역설계로 원하는 물성을 가진 물질을 개발하는 연구가 주목받고 있지만, 지금까지의 연구들은 단순한 소형 분자들 위주로 적용되고 있으며 복잡한 다공성 물질을 설계하는 연구는 보고되지 않았다.
김지한 교수 연구팀은 인공지능 기술과 분자 시뮬레이션 기술을 활용해 다공성 물질의 한 종류인 제올라이트 구조를 설계하는 방법을 개발했다.
연구팀은 인공지능 생성모델인 적대적 생성 신경망(GAN, Generative Adversarial Network)과 기존 분자 시뮬레이션에서 활용되는 3차원 그리드 데이터를 활용해 복잡한 다공성 물질의 특성을 인공지능이 학습하고 생성할 수 있도록 구조를 개발했다.
개발된 인공신경망 생성모델은 3차원 그리드로 이루어진 구조 정보와 흡착 물성 데이터를 같이 학습하게 되며, 학습 과정 안에서 흡착 물성을 빠르게 계산할 수 있다. 이를 통해 에너지 저장 소재의 특성을 효율적으로 학습할 수 있음을 증명했다.
또한, 연구팀은 인공지능 학습 과정에서 기존의 알려진 제올라이트 구조 중 일부를 제외해 학습시켰고, 그 결과 인공지능이 학습하지 않았던 구조들도 생성할 수 있음을 확인했다.
김지한 교수는“인공지능을 이용해 다공성 물질을 설계한 최초의 사례이다”라며 “기체 흡착 용도에 국한된 것이 아니라 다른 물성에도 쉽게 적용할 수 있어 촉매, 분리, 센서 등 다른 분야의 물질 개발에도 활용될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이번 연구는 BK21, 한국연구재단 중견 연구자 지원 사업 그리고 에너지 클라우드 사업단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림 1. 인공지능 기반 다공성 물질(제올라이트) 생성 개요도
2020.01.07 조회수 19386 -
김지한 교수, 다공성 물질 내 가스 흡착량 증진 가능성 제시
〈 김 지 한 교수, 정 상 규 석사과정 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 결함공학을 통한 다공성 물질의 가스 흡착량 증진법을 개발했다.
정상규 석사과정이 1저자, UC 버클리 화학과의 Günther Thiele 박사후 연구원이 2저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’11월 16일차 온라인 판에 게재됐다.
금속-유기 구조체(metal-organic framework, 이하 MOF)는 금속 클러스터와 유기 리간드의 규칙적인 배위결합을 통해 합성되는 결정체이며, 넓은 표면적과 수많은 공극을 지닌 물질로서 다양한 에너지 및 환경 관련 소재로 각광받고 있다.
하지만 다른 결정성 물질들과 마찬가지로 실제 MOF는 완벽한 결정성을 가질 수 없으며 여러 종류의 결함을 가지게 된다.
이러한 결함들 중 결정체 내 유기 리간드가 불규칙적으로 본래 자리에 결합되지 않은 상태를 뜻하는 리간드 공공결함은 실험적인 기법들을 통해 공공결함의 밀도가 조절될 수 있다고 알려져 있다.
연구팀은 기존 제시된 리간드 공공결함의 조절을 통한 결함 공학 기법을 특정 MOF 내 고립된 공극의 존재여부와 접목시켜 결함공학을 통한 가스 흡착 증진 가능성을 제시했다.
김지한 교수가 직접 개발한 그래픽 프로세서(GPU) 소프트웨어 코드로 초고속 스크리닝 기법을 활용해 실험적으로 합성된 12,000 가량의 MOF들로 부터 메탄 가스에 대해 상당한 부피의 고립공극을 가지는 MOF들을 계산적으로 선별했다.
고립 공극의 판별 작업에는 안정적 에너지 구간에 대한 플러드-필(flood-fill) 알고리즘이 사용됐으며 이는 마이크로소프트 그림판에서 흔히 접할 수 있는 ‘색 채우기’ 기능과 동일한 알고리즘이다. 이를 통해 무한히 연결된 주 공극구조만 판별해내고 연결되지 않고 고립돼 존재하는 공극의 존재여부를 판단했다.
이후 많은 양의 고립공극이 파악된 MOF들에 대해 리간드 공공결함을 가상으로 결정 구조 내 도입했으며 리간드가 없어지면서 기존의 고립돼 존재하던 공극들이 주 공극구조와 합쳐지도록 유도했다.
이러한 스크리닝 작업을 통해 연구팀은 리간드 공공결함이 도입되었을 시 상당한 메탄 가스의 흡착량 증진을 겪을 수 있는 13개의 MOF를 최종적으로 선별했으며, 불과 8.33% 이하의 리간드 결함이 존재했을 시에도 최대 55.6% 의 메탄 가스 흡착량 증진을 가질 수 있다는 것을 확인했다.
본 연구팀이 제시한 리간드 공공결함을 통해 기존에 활용되지 못하던 고립 공극을 주 공극구조에 연결시켜 새로이 활용하는 기법은 단순한 가스 흡착량 증진 외에도 혼합 가스의 선택적 흡착, 반 영구적 가스 포획 등 다양한 효과를 가져올 수 있다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 본 연구에서 사용된 플러드-필 알고리즘을 설명하는 도해와 플러드-필 알고리즙을 통해 고립공극이 판별된 MOF의 예시
그림2. 본 연구에서 선별된 MOF 중 두 가지 MOF의 공공결함 도입 전과 후(좌, 우)의 흡착가능 공간 비교
2017.11.27 조회수 24233 -
김일두 교수, 7초 안에 수소가스 탐지 가능한 센서 개발
〈 김일두 교수, 구원태 학생, 페너 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 美 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스 화학과 페너(Reginald M. Penner) 교수와의 공동 연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.
이 기술은 금속유기구조체(metal-organic framework)가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이(array) 기반의 초고속 수소가스 감지소재로 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.
수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만 작은 스파크(spark)에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스의 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.
미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.
1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 이후, 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 그러나 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.
김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백 ppm(part per million, 백만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다.
연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.
이 금속유기구조체는 각각 0.34 나노미터와 1.16 나노미터의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이다.
수소는 상온에서 0.289 나노미터의 운동지름(kinetic diameter, 다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34 나노미터의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 0.34 나노미터보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다.
이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.
김 교수는 “개발된 초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것이다”며 “금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 초고성능으로 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해 졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 2017. ACS Nano, 커버 이미지
그림2. Pd 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 Pd 나노와이어의 주사전자현미경 이미지, 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지 특성
그림3. 수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지)
2017.09.26 조회수 19472 -
김지한 교수, 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능 분석법 개발
〈 김 지 한 교수 〉
우리 대학 생명화학공학과 김지한 교수 연구팀이 비정질 다공성 물질의 가스 흡착 성능을 예측하는 방법을 개발했다.
이번 연구는 교토대 임대운 교수, 서울대 백명현 교수, 가천대 윤민영 교수, 사우디 아람코 연구소와 공동으로 진행됐다.
정우석 박사과정생과 임대운 교수가 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’ 7월 10일자 온라인 판에 게재됐다.
금속-유기물 구조체(metal-organic framework, MOF)는 넓은 표면적과 풍부한 내부 공극을 가지고 있어 다양한 에너지 및 환경 관련 소재로 응용될 수 있다.
이런 금속-유기물 구조체 물질 대부분이 결정성 물질이지만 합성과정 또는 산업 공정에 사용 중에 구조가 붕괴돼 결정성을 잃기 쉽다. 그로 인해 내부 구조를 파악할 수 없게 되면 기존의 어떠한 컴퓨터 시뮬레이션 방법론으로도 분석이 어려웠다.
김 교수 연구팀은 이와 같이 붕괴된 금속-유기물 구조체의 물성치를 결정성 금속-유기물 구조체의 물성치로 대체해 우회적으로 비정질 구조(amorphous structure)의 다공성 물질에서 물성치 분석이 가능함을 증명했다.
연구팀은 우선 12,000여 개의 결정성 금속-유기물 구조체에 대해 다양한 가스 및 온도 조건에서 가스 흡착 물성치 계산을 수행했다. 이로부터 특정 가스 및 온도 조건에서 비슷한 물성치를 보인 금속-유기물 구조체들은 다른 가스나 온도 조건에서도 비슷한 흡착 성능을 보인다는 것을 보였다.
이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 붕괴된 구조가 보이는 메탄가스 흡착성능과 가장 비슷한 물성치를 지닌 결정성 금속-유기물 구조체들을 12,000여 개 구조 중에서 선별했다.
그 후 전혀 다른 온도 및 수소가스 흡착에 있어서도 붕괴된 구조의 실험값과 결정성 금속-유기물 구조정보를 이용한 시뮬레이션 결과가 잘 일치한다는 상호교환성(transferability)를 확인했다.
이번 연구성과는 구조 정보가 없는 경우에도 금속-유기물 구조체와 같은 다공성 물질들에서 물성치를 예측할 수 있어 앞으로 이산화탄소 포집, 가스 분리 및 저장소재 개발에 활용될 것으로 기대된다.
이번 연구는 Saudi Aramco-KAIST CO2 Management Center의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 구조-물성치 맵에 나타나는 경향성과 붕괴된 구조의 경향성
그림2. 붕괴된 금속-유기물 구조체 실험결과와 결정성 금속-유기물 구조체 시뮬레이션 결과의 상호교환성
2017.07.21 조회수 26997 -
최시영 교수, 물리적 힘을 이용해 안정화된 에멀전 개발
우리 대학 생명화학공학과 최시영 교수 연구팀이 디플리션 힘이라고 불리는 물리적인 힘을 이용해 새로운 방식의 안정적인 에멀젼을 제작하는 데 성공했다.
생명화학공학과 연구조교수인 김규한 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 2월 1일자 온라인 판에 게재됐다.
특히 이 연구는 우리 대학 의 ‘학부생 연구 참여 프로그램(URP : Undergraduate research program)’을 통해 학부생인 김수빈 학생이 2저자로 참여해 의미를 더했다.
우리가 흔히 화장품 종류로 알고 있는 에멀전은 물속에 기름방울들이(또는 기름 속에 물방울이) 안정적으로 분산된 구조를 뜻한다. 그리고 피커링 에멀전은 계면활성제 대신 고체 입자를 사용해 안정화된 에멀전을 뜻한다.
일반적으로 물과 기름은 섞이지 않는다고 알려져 있지만 지금까지는 적정량의 계면활성제를 넣고 물과 기름을 섞어 적절히 분산시켰다. 이를 통해 에멀전을 제작했고 이는 마요네즈, 선크림, 로션 등 산업 전반에 유용하게 사용되고 있다.
그러나 지금까지 피커링 에멀전은 고체 입자 표면에 화학적인 처리를 통해 흡착력을 증대시켜 안정화하는 방식을 택했다. 이는 처리과정이 복잡하고 적용 범위가 매우 좁아 유용하게 사용되지 못했다.
연구팀은 피커링 에멀전의 표면을 화학적으로 처리하는 대신 수나노미터 크기의 작은 고분자 입자를 더 큰 고체 입자(수십 나노미터에서 수 마이크로미터 수준)와 함께 섞었다. 이를 통해 디플리션 힘(depletion force)을 유발했고 물리적인 힘을 통해 에멀전을 안정화시키는 데 성공했다.
디플리션 힘이란 많은 수의 작은 입자들이 자신들의 자유로운 공간을 많이 확보하기 위해 다른 큰 입자들을 뭉치게 만드는 힘을 뜻한다. 크기가 큰 입자끼리 서로 끌림을 유도하는 것이다.
그동안 디플리션 힘은 고체와 고체 입자끼리만 적용됐다. 그러나 연구팀은 작은 입자로 고분자, 큰 입자로 고체 입자와 기름방울을 사용해 고체와 액체 사이에서도 디플리션 힘이 적용됨을 증명했다.
작은 입자 크기 역할을 하는 고분자를 삽입함으로써 친수성을 갖는 고체 입자가 기름방울 표면에 흡착되는 것을 향상시켰고, 입자 표면으로부터 분리되는 것을 방지해 안정적인 상태를 유지할 수 있었다.
연구팀은 안정적인 고내부상 피커링 에멀전을 통해 다양한 종류의 다공성 고분자 물질을 쉽게 제작할 수 있음을 확인했다. 이 다공성 고분자는 넓은 표면적을 이용해 분리막이나 조직공학, 약물 전달체 및 센서 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.
1저자인 김규한 연구교수는 “그동안 고체 콜로이드 입자들 사이에서만 이용되던 디플리션 힘을 고체 입자와 액체 방울 사이에서 구현한 첫 번째 예로서 그 학술적인 의미가 있다”고 말했다.
최 교수는 “학술적 의미를 넘어 산업 및 국가 경쟁력에 기여할 수 있는 기술이다”며 “화학적인 힘이 아닌 물리적 힘을 이용해 안정적인 에멀젼을 형성하기 때문에 고체 입자와 고분자 종류에 관계없이 사용 가능하고, 특수 목적에 맞는 맞춤형 다공성 물질 제작이 가능하다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야 기초연구사업 (대통령 post-doc. 펠로우십, 리서치 펠로우십, 중견연구자 지원사업)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 이번 기술을 통해 제작한 다공성 고분자 구조체의 내부 사진들
그림2. 고내부상 피커링 에멀젼의 유변학적 특성 측정 및 시스템의 가공성을 보여주는 사진
그림3. 안정한 피커링 에멀젼 시스템을 나타내는 사진들
2017.02.07 조회수 27039