• 공업화학전망
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• 제24권3호
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• pp.1-13
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• 2021

유리 소재는 뛰어난 기계적, 화학적, 광학 특성으로 인해 다양한 영역에서 광범위하게 활용되어 왔으며, 최근에는 특정 물성이 강화된 기능성 유리 수요가 다양한 산업 영역에서 급속히 증가하고 있다. 유리 소재 분야에서의 연구 개발은 유리 특유의 비정질 구조 및 다원소 조성 특성에 의한 복합성 때문에 전통적으로 경험에 기반한 실험 기법에 의존하여 왔다. 그러나 적용 분야에 따른 맞춤형 물성 강화에 대한 필요성이 증대됨에 따라, 핵심 물성 발현 원리 등을 원자 단위에서 이해하고 이를 바탕으로 기능성 유리 소재를 설계하는 접근법이 주목받고 있다. 원자단위 시뮬레이션 및 이론 기반 모델링은 유리 소재의 다양한 물성과 조성 변화에 따른 원자 구조의 상관관계를 매우 효율적으로 분석할 수 있는 기법이다. 본 기고문 에서는 밀도범함수이론, 분자동역학 및 위상속박이론을 활용한 기능성 유리 소재 개발 및 연구 동향에 대해서 소개하고자 한다.

• 대한화학회지
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• 제59권1호
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• pp.9-17
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• 2015

풀러렌(fullerene)의 내부에 캡슐화될 수 있는 물 분자의 수와 물 분자들이 증가함에 따라 풀러렌의 안정적인 구조에 미치는 영향을 조사하기 위해 밀도 범함수 이론(density functional theory, DFT)을 이용하여 풀러렌-물 클러스터$(H_2O)_n@C_{60}$, (n=1-10)의 구조 변화에 따른 열역학적 안정성 및 결합에너지를 계산하였다. 각각의 구조들에 대해서 여러 이론 수준에서 최적화하였으며 진동주파수를 계산하여 가장 안정한 구조를 조사하고 IR 스펙트럼을 예측하였다. 또한 풀러렌 내의 물 분자 수가 증가함에 따른 수소결합의 세기 변화를 순수한 물 클러스터$(H_2O)_n$, (n=1-6)의 수소결합과 비교 분석하였다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제4회(2015년)
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• pp.296-299
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• 2015

$MoS_2$ 단일층에 단축 방향으로 스트레인을 가해 Mo와 S 사이의 거리를 변화시키면서 밴드 구조의 변화를 밀도 범함수 이론에 기반해 계산했다. $MoS_2$ 단일층의 전자 구조는 스트레인에 민감하게 변화하여 밴드갭의 감소와 직접 밴드갭에서 간접 밴드갭으로 밴드갭의 특성이 변화함을 확인했다. 이러한 전자 구조의 변화는 스트레인에 의한 전하 분포의 변화와 로컬 오비탈의 상호작용에 의한 영향으로 해석된다.

• 대한화학회지
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• 제54권4호
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• pp.363-373
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• 2010

마약인 모르핀, 헤로인, 코데인, 펜타조신 그리고, 버프레노파인에 대하여 범밀도함수이론에 근거하여 계산 연구를 수행하였다. 약물특이 분자단과 치환기의 기하학적 파라미터는 B3LYP/6-31+G(d) 레벨로 계산하였고, 전자의 구조는B3LYP/6-311++G(d,p) 레벨로 같은 혼성 범함수를 사용하여 계산하였다. 원자의 전하분포는 Mulliken 개체 수 분석에 의하여 구하였다. 보고된 생물학적 활성, 계산된 분배 계수, 전자 및 기하학적 분석을 토대로 펜타조신과 버프레노파인을 새로 제시된 유사화합물에 대한 모델화합물로 선택하였으며, 이들 유사화합물에 대하여 연구한 뒤, 모델화합물과 비교하였다. 본 연구 결과는 약물특이 분자단의 기하학적 구조와 전자 구조가 다른 치환기의 존재 하에서도 변함없이 유지된다는 것을 보여주었다. 제시된 유사화합물들도 모델 분자의 특성을 갖고 있기 때문에, 이들 유사화합물들도 생물학적 활성을 나타낼 것 같다.

• 새물리
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• 제68권12호
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• pp.1288-1292
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• 2018

반도체 특성을 가지는 이차원 전이금속 칼코겐 화합물 $MoS_2$와 강자성이면서 금속성을 가지는 $VS_2$로 이루어진 수평접합 구조를 기반으로 해서, 0%부터 10%까지 2% 간격으로 변형에 따른 쇼트키 장벽(Schottky Barrier) 변화를 밀도 범함수 이론 계산을 통해 연구하였다. 그 결과, 홀의 쇼트키 장벽이 전자의 쇼트키 장벽에 비해 훨씬 작고, 홀의 쇼트키 장벽 높이가 변형에 따라 선형적으로 감소함을 발견하였다. 특히, 8% 이후의 변형에서 홀의 스핀 업 쇼트키 장벽의 높이가 0에 가까워지는 임계 변형값이 존재함을 발견하였고, 이 임계 변형값 이상에서는 스핀 업 성분의 홀이 $MoS_2/VS_2$ 수평접합구조를 통해 쇼트키 장벽 없이 쉽게 흐르게 됨을 알게 되었다. 이러한 연구 결과는 향후, 변형을 통한 이차원 전이금속 칼코겐 수평 접합구조 기반 소자 특성 최적화에 중요한 기초자료로 이용될 것으로 기대한다.

• 대한화학회지
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• 제66권3호
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• pp.185-193
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• 2022

본 연구에서는 tetrazine과 oxadiazole 등의 질소가 많이 함유되어 있는 헤테로 고리화합물을 가진 음이온과 NH₂OH, NH₂NH₂, CH₈N₆, C₂H₅N₅ 등의 양이온들과의 이온 결합을 통하여 생성된 에너지 염(energetic salts)에 대하여 열역학적 안정성, 밀도, 그리고 폭발 성능 등을 밀도 범함수 이론(dentisy functional theory, DFT)을 이용하여 계산하고 기존의 고성능 에너지 물질들과 비교하였다. 분자 구조 최적화 및 안정화 에너지는 B3LYP/cc-pVDZ 이론 수준에서 그리고 엔탈피 계산은 G2MP2 이론 수준에서 계산하였으며 폭발 성능은 Kamlet-Jacobs 방정식을 통하여 계산하였다. 결과적으로 크기가 작은 NH₃OH⁺(1)와 NH₂NH₃⁺(2) 양이온을 활용한 에너지 염은 폭발 성능 향상에 도움이 되며, 상대적으로 아미노기(-NH₂)가 많은 CH₉N₆⁺(3) 양이온은 안정성을 높이는데 효과적일 것으로 예측되었다.

• 광물과 암석
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• 제34권2호
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• pp.121-131
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• 2021

마그네슘(magnesium; Mg)은 탄산염 광물이 침전된 과거의 환경 조건을 유추하기 위한 지화학 지시자로 활용되어오고 있다. Mg를 신뢰도 높은 지화학 지시자로 활용하기 위해서는 Mg의 화학종을 근거로 한 Mg의 광물 함유 기작이 반드시 규명되어야만 하며, 관련 실험 연구들은 주로 고해상도(high resolution)의 방사광가속기(synchrotron) X-선 흡수 분광(X-ray absorption spectroscopy; XAS) 기법을 통해 Mg의 화학종을 유추한다. 그러나, Mg가 미량 함유된 광물의 XAS 스펙트럼 해석의 높은 불확실성 때문에 화학종 유추가 어려운 경우가 많다. 양자역학 밀도범함수이론(density functional theory; DFT)은 결정구조에 대한 흡수 스펙트럼을 예측할 수 있기 때문에, XAS 스펙트럼 해석의 불확실성을 줄일 수 있다. 이번 논문에서는 DFT 기반의 제일원리 내각 준위 분광법(ab initio core-level spectroscopy method)을 통해 Mg 규산염 및 (수)산화광물에 대한 Mg K-edge 흡수 스펙트럼을 계산하여 Mg의 배위 결합 환경을 나타내는 구조 인자와의 상관관계를 분석하였다. 계산 결과, DFT 계산으로 얻은 Mg 규산염 및 (수)산화물의 이론 Mg K-edge 흡수 스펙트럼은 기존 XAS 실험으로 얻어진 스펙트럼의 주요 형태를 상당 부분 재현해낼 수 있었다. 계산으로 얻은 광물의 제일원리 Mg K-edge 흡수 스펙트럼의 흡수-끝(absorption edge)과 평균 Mg-O 결합거리 및 Mg 유효배위수를 비교 분석한 결과, 약한 양의 상관관계를 보여주었다. 이번 연구 결과는 DFT 계산이 다양한 광물 내 Mg의 화학종에 대한 표준 스펙트럼 세트를 제공할 수 있는 강력한 도구임을 보여주며, 추후 탄산염 광물에 함유된 정확한 Mg의 화학종을 동정하는데 DFT 계산이 큰 역할을 할 수 있음을 제시한다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제6회(2017년)
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• pp.132-144
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• 2017

현재, 빛을 이용한 화학 연구가 활발히 진행되고 있고 이러한 연구는 양자역학을 기반으로 화학에서 상당히 중요한 부분을 차지하고 있다. 또한 컴퓨터의 발전에 따라 여러 계산 모델들이 개발되고 있다. 본 논문에서는 회전파 근사(Rotating Wave Approximation, RWA)를 통해 라비 진동을 이론적으로 확인하고, 가장 간단한 연속파 레이저와 두 에너지 준위에서 시작하여 레이저 펄스와 두 에너지 준위, 레이저 펄스와 이원자분자인 $Na_2$ 분자의 두 전자에너지 퍼텐셜 준위, 그리고 실제 시간 밀도 범함수 이론(Real-Time Time Dependent Density Functional Theory, RT-TDDFT)이란 제일원리계산을 통해 연속파 레이저와 $H_2$ 분자와 $C_2H_4$ 분자에서까지 관찰하였다. 이 연구를 통해 공명 전이의 경우 펄스의 면적이 ${\pi}$의 홀수 배일 때 완전한 입자수 전이가 일어나는 펄스 면적 정리를 확인할 수 있었고, 이원자분자인 $Na_2$의 경우엔 펄스의 지속시간도 입자수 전이에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 더 나아가 $H_2$ 분자와 $C_2H_4$ 분자에서는 RT-TDDFT 계산을 통해 라비 진동을 확인할 수 있었고, 두 종류의 기저함수간의 대조를 통해 기저함수 선택의 중요성을 알아보았고, 가장 중요하게는 레이저를 잘 조작하면 입자를 원하는 상태로 들뜨게 할 수 있다는 것이란 결론을 얻게 되었다.

• 전기화학회지
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• 제16권3호
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• pp.177-183
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• 2013

고전압에서도 사용 가능한 바인더 개발에 대한 요구가 증대됨에 따라 이에 적합한 내산화성이 우수한 바인더를 양자화학적 모델링에 기반하여 제안하고자 하였다. 각 고분자 poly(acryl amide)(PAM), poly(methyl acrylate)(PMA), poly(vinylidene fluoride)(PVDF), poly(hexafluropropylene)(PHFP)에 대하여 반경험적 방법(Semi-empirical method) 및 밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT) 방법을 이용하여 단량체부터 사량체까지의 고분자 바인더에 대한 최고 점유 분자 궤도함수(Highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지와 이온화 에너지(Ionization Potential, IP) 값을 구하여 실험 값과 비교하였다. 밀도범함수 방법으로 해석한 결과, PHFP, PVDF, PMA, PAM 순으로 고분자의 내산화성이 좋은 것으로 시뮬레이션을 통해 예측되었고, 이러한 결과는 선형 훑음 전압-전류법(Linear Sweep Voltametry, LSV)으로부터 얻은 실험값과 일치하였다. 또한 이 결과는 HOMO 오비탈의 구조를 분석하여 내산화성이 좋은 원인을 규명하였다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제4회(2015년)
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• pp.156-162
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• 2015

나노입자의 특성과 기능은 bulk 물질과 달리, 나노 입자를 이루는 원소의 종류 뿐만아니라 크기와 모양에도 밀접한 연관이 있다. 이를 계산화학적으로 예측할 수 있다면 나노입자의 합성과 응용에 큰 도움이 될 것이다. 본 연구에서는 일정한 크기의 은 나노입자의 구조를 계산한 뒤, 바깥쪽의 두 원자 층을 무작위로 섞은 뒤 다시 구조최적화 계산을 거쳐 다양한 나노입자들의 구조를 찾았다. 이렇게 구해진 구조들의 에너지를 계산하고 원자를 하나 떼어낼 때의 에너지를 계산하여 응집 에너지를 구해 경향성을 분석해 보았다. 더 나아가, 나노입자를 이루는 각 원자 층의 개수가 하나 더 커질 때 필요한 에너지를 계산하여, 원자 하나당 평균을 내어 분석해보았다. 본 연구에서는 병렬화 된 밀도범함수이론 계산 프로그램을 이용해 100개가 넘는 입자의 계산이 가능하다는 것을 확인했고, 은 나노입자의 크기가 증가함에 따라 원자 하나가 추가되는 경우와, 원자 층 하나가 추가되는 경우의 그래프를 보고 경향성을 분석하였다. 이는 다른 화학적 환경에 있는 은 원자의 에너지를 계산하여 각각의 환경에서의 은 나노 입자의 크기를 예측하는 계산하는 데 초석이 될 것이다.