나노기술 및 정책 정보

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● 일본 과학기술진흥기구 연구개발전략센터가 2021년 7~10월에 시리즈 형태로 개최된 ‘계산 과학 – 물질·재료 시뮬레이션의 최전선’에 관한 세미나의 결과 보고서를 발간

● 계산과학은 나노·재료 분야의 기초 및 응용을 뒷받침하는 공통의 기반 과학기술

<7개 테마>

① Phase-field 법

덴드라이트(dendrite) 성장, 핵 형성, 스피노달(spinodal) 분해 등 다양한 재료의 내부 조직 형성 프로세스를 재현할 수 있는 현상론적인 시뮬레이션 방법으로, 재료 조직과 재료 특성을 연결하는 차세대 재료 설계 툴로서의 향후 전개가 기대

② 초대규모 분자동역학 시뮬레이션

경험적인 원자간 상호작용 모델을 이용하여 고전적인 운동방정식을 풀어 다입자계 역학을 계산하는 방법으로, 초대규모 병렬 계산을 통해 마찰이나 마모 등과 같이 나노·메조·매크로 스케일의 현상이 관련된 ‘계(系)’를 포괄적으로 다룰 수 있음

③ 열역학적 상태도 계산

온도, 압력, 조성 등 외부 조건에 따라 어느 상(相)이 안정되는지를 나타내는 물질의 지도 또는 나침반이라 할 수 있는 것이 상태도(狀態圖)이며, 실험에서 얻은 파라미터를 이용하여 상태도를 계산하는데, 최근 전자 이론 계산을 이용하여 순수하게 이론적으로 계산하려는 시도가 이루어지고 있음

④ 전기화학 계면 현상 시뮬레이션

전극과 용액의 계면에서 일어나는 전기화학 현상을 재현하는 분자 시뮬레이션 기술로, 연료 전지·축전지의 개발, 부식·방식·도금 등 다양한 분야로의 응용이 기대

⑤ 반도체 디바이스 시뮬레이션

반도체 중의 전자 및 정공의 수송 과정을 계산하여 트랜지스터 등 반도체 디바이스의 전기 특성을 재현하는 방법으로, 양자론적 효과 및 불순물 원자의 이산 배치 등 원자론적 효과를 도입한 정밀 시뮬레이션으로 최첨단 나노 스케일 디바이스의 연구개발을 뒷받침

⑥ 강상관 전자계의 제1원리 계산

이론적으로 다루기 어려웠던 다전자 간의 상호작용을 정확하게 계산할 수 있는 ‘계층적 제1원리 강상관 전자 상태 계산법’이 개발되어 철계 초전도체, 구리 산화물 초전도체 등 강상관 전자계의 전자 상태를 구현할 수 있게 됨

⑦ 데이터과학을 이용한 물질과학연구

최근 현저하게 발전된 기계학습을 비롯한 데이터과학을 물질·재료 시뮬레이션과 연계시키는 연구 방법으로, 예를 들어 이론 계산 데이터에 실험 데이터를 가미함으로써 계산 결과의 정밀도를 향상시키는 ‘데이터 동화’ 등의 방법이 개발되고 있음

● 본 결과는 향후 전략 제언에 활용하는 한편, 2023년 발행 예정인 ‘연구개발 부감 보고 나노기술·재료 분야(2023년)’에 반영시킬 예정