KISTI EDISON2.0 반도체 전문센터, 세계최초 비평형 분자 흡착 에너지 계산 이론 확립

- 차세대 에너지 소자 및 반도체 공정 개발의 획기적 전기 마련 - 

한국과학기술정보연구원(원장 김재수, 이하 KISTI) HPC융합플랫폼연구단은 EDISON2.0 반도체 전문센터장인 한국과학기술원(총장 이광형, 이하 KAIST) 전기및전자공학부 김용훈 교수 연구팀이 세계 최초로 비평형 분자 흡착에너지의 계산 이론을 확립하고 전압이 인가된 전극 위에서 물 분자의 안정성에 대한 흡착에너지를 원자 수준 시뮬레이션으로 도출하는 데 성공했다고 밝혔다.

연구팀은 전압이 인가된 전극에서 비평형 분자 흡착에너지(adsorption energy)를 제1원리 전자구조 계산*으로 다룰 수 있는 이론 체계를 개발하여 차세대 에너지 소자나 반도체 공정 등의 개발에 획기적인 전기를 마련한 것으로 평가된다.

* 제1원리 전자구조 계산(시뮬레이션) : 원자 단위로 구성된 모델에 대하여 양자역학의 정수인 슈뢰딩거 방정식을 풀기 위해서 실험데이터나 경험적 모델을 사용하지 않고 플랑크상수나 전자질량 등 기초 물리상수만을 사용하여 물질의 전자상태 및 특성을 도출하는 계산 방법이다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 2011년부터 KISTI가 주축이 되어 추진된 EDISON 사업의 대표성과인 EDISON 플랫폼은 슈퍼컴퓨터와 연동된 웹 기반 플랫폼에 이공계 전문 분야별 시뮬레이션 소프트웨어를 탑재하여 언제 어디서나 활용할 수 있는 환경을 제공했다. EDISON은 2021년 일몰혁신사업으로 선정되어 데이터 기반 연구 중심 플랫폼인 EDISON2.0 으로 개편되었다. 이후 2023년부터 KAIST와 협력하여 반도체 전문센터를 출범하고 전문적인 연구 환경을 구축하여 이를 기반으로 차세대 소자 연구를 수행 중이다.

이번 연구에서 EDISON2.0 반도체 전문센터 센터장인 김용훈 교수 연구팀은 먼저 전압이 인가된 전극 사이에 놓인 채널의 자유 에너지인 전기 엔탈피를 정의하고 이를 기반으로 비평형 상태의 전극과 분자 간 흡착에너지의 제1원리 계산 이론을 확립하였다. 다음으로 이를 적용하여 전압이 인가된 금속 전극과 그래핀 전극에서 안정된 물 분자의 구조가 매우 다름을 보였다.

밀도범함수론(density functional theory, 이하 DFT)로 대변되는 제1원리 계산의 대표적인 활용으로는 분자의 표면 흡착에너지 계산을 들 수 있으며, 도출된 흡착에너지 정보는 에너지 저장 및 변환 소자, 약물 전달, 수처리, 첨단 반도체 제조 공정 등의 다양한 분야의 연구  개발에서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 리튬 이온 배터리, 촉매와 같은 첨단 소재, 그리고 이들을 제조하기 위한 화학 기상 증착, 분자 빔 결정 성장과 같은 공정을 정확하게 시뮬레이션하기 위해서는 전압이 인가된 비평형 상태를 기술할 수 있는 새로운 DFT 이론이 필요한 상황이었다.

연구팀은 이전 연구에서 평형 상태로 제한된 DFT의 한계를 극복할 수 있는 새로운 제1원리 계산 체계인 다공간 DFT 이론을 개발한 바 있으며, 이번 연구에서는 이전에 개발한 이론을 발전시켜 비평형 자유 에너지인 전기 엔탈피를 정의하고 이를 기반으로 전압이 인가된 비평형 상태의 전극과 채널 간의 흡착에너지를 세계 최초로 계산하였다. 특히 연구진은 금속 전극뿐만 아니라 기존에는 기술이 불가능하였던 전압이 인가된 2차원 그래핀 전극에서의 물 분자의 흡착에너지 정보도 도출하였다. 그 결과 대전된 그래핀 전극 위에서는 금속 전극과 다른 양상으로 물 분자가 안정화됨을 확인하였는데, 이는 최근 많은 주목을 받는 2차원 소재 전극 기반 소자의 제조와 동작 특성에 대한 이해의 지침을 제공할 것으로 기대된다.

EDISON2.0 반도체 전문센터장 KAIST 김용훈 교수는 차세대 에너지  반도체 소자의 연구  개발에서 양자역학적 제1원리 컴퓨터 시뮬레이션의 역할이 지속적으로 중요해지고 있는 상황을 강조하며 “세계 최고 수준의 비평형 계면 전산 설계 원천기술을 확보하여 나날이 치열해지는 차세대 소재  소자의 연구  개발에 중요한 전기를 마련했다”라고 연구의 의미를 소개하였다.

EDISON2.0 중앙센터장 KISTI 이정철 단장은 “EDISON 플랫폼은 기존의 교육 중심 서비스와 더불어 연구 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있는 맞춤형 특화 연구 환경을 제공할 수 있는 기술을 개발하고 다양한 연구 분야에 서비스할 계획이다.”라고 밝혔다.

각 기관은 앞으로 EDISON 플랫폼을 활용한 우수연구성과 도출을 위하여  ▲ 반도체 분야 시뮬레이션, 데이터, 인공지능 콘텐츠 생산 및 공유, ▲ 플랫폼 교육, 운영 및 기술 지원, ▲ 관련 공동사업 발굴과 기획 등을 협력하여 추진할 계획이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 STEAM연구사업 디지털융합R&D플랫폼구축, 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 삼성전자 미래기술 육성센터의 지원을 받아 수행되었으며 ‘네이쳐 파트너 저널 컴퓨테이셔널 메터리얼즈(npj Computational Materials)’(IF 9.7) 3월 22일자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Ab initio theory of the nonequilibrium adsorption energy)