연구를 ‘디자인’하는 소재개발 분야의 주목받는 과학자
카이스트 EEWS대학원 m-design 연구실 김형준 교수

언뜻 ‘소재개발(Material Development)’과 ‘디자인(Design)’은 전혀 다른 별개의 분야처럼 느껴진다. 그러나 소재개발 연구의 방향성이 기존의 물질을 대체할 수 있는 보다 효율적인 신소재의 발견과 창조에 있다는 점에서 정밀한 설계와 시뮬레이션이 복합된 디자인과의 접목은 고정관념을 넘어선 새로운 개념 제시의 단초로 작용하기도 한다.

양자역학 시뮬레이션으로 차세대 소재 개발
지난해 9월, KAIST 김형준 교수 연구팀은 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하는 데 필요한 고효율 전기화학 촉매기술을 개발하며 학계의 주목을 받았다. 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출을 억제하고자 전 세계적인 규제가 강화되고 있는 와중에 등장한 이 기술은 이산화탄소 저감 효과와 함께 메탄올, 합성 천연가스, 기타 대체연료 제조의 핵심 원료로 사용되는 일산화탄소 생산을 더욱 효율적으로 수행할 수 있다는 점에서 높은 평가를 받았다. 특히 더 주목할 만한 부분은 이 같은 연구 수행과정에서 고성능 컴퓨터를 활용한 양자역학 시뮬레이션이 큰 역할을 차지했다는 점이다. 

KAIST EEWS대학원 김형준 교수가 이끌고 있는 m-design(Complex molecular-Systems Multiscale Design) 연구실은 이처럼 다양한 소재에서 일어나는 복잡한 현상을 분자 수준에서부터의 다중스케일 시뮬레이션을 통해 이해하고 모델링하여 새로운 소재나 소자를 이론적으로 디자인하고 제시하는 연구 활동을 펼쳐왔다. 지난 연구에서도 마찬가지로 고성능 슈퍼컴퓨터(KISTI 타키온)를 활용, 기존 촉매로 사용되던 은(Ag) 표면에 34종의 다양한 원소를 미세하게 첨가한 새로운 촉매를 개발하고, 이를 사용해 이산화탄소를 높은 효율로 일산화탄소로 전환할 수 있음을 양자역학 시뮬레이션을 통해 증명했다. 김 교수는 “양자역학 시뮬레이션은 화학반응을 원자 수준에서 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로, 정확한 열역학적 에너지 변화를 알아낼 수 있다는 장점이 있습니다. 저희 연구팀은 이 시뮬레이션 결과를 토대로 효율적인 일산화탄소 전환에 적합한 원소를 찾아냈으며, 일반 은을 촉매로 사용했을 때 필요한 전압 0.9V보다 0.5V 이상 줄일 수 있음을 확인했습니다”라고 밝혔다.

고정관념에서 벗어난 새로운 연구 트렌드 될 것
김형준 교수는 이미 지난 2013년, 꿈의 신소재라 불리는 ‘그래핀(Graphen)’의 높은 전하 이동속도를 활용, 기존 실리콘 반도체보다 100배 이상 속도를 향상시킨 차세대 반도체 기술을 개발하며 세계적인 주목을 받은 바 있다. 이에 이은 연구에서 고성능·고효율 일산화탄소 전환 촉매기술을 개발함으로써 그는 주목받는 젊은 과학자로서의 위치를 다시 한 번 확고히 했다. 

현재 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업 ‘하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구단’의 지원을 통해 스마트한 차세대 소재 개발 프로세스에 매진하고 있는 김형준 교수는 “시뮬레이션을 이용한 소재 개발 프로세스는 실제 실험을 해보기 전에 소재의 특성을 예측하고, 이를 기반으로 연구의 방향이나 성과를 예측할 수 있다는 점에서 효율적입니다. 또한 실험을 여러 번 반복하는 경험적 방법으로 소재의 특성을 찾아내는 것보다 비용과 시간을 절약할 수 있다는 점에서 향후의 연구 트렌드를 바꿔놓을 수 있으리라 기대하고 있습니다”라고 설명했다. 그는 또한 연구에 있어 새로운 아이디어나 혁신이 끊임없이 이뤄지기 위해서는 자유로운 소통과 토의가 활발히 이뤄져야 한다고 강조했다. 그는 프랑스 국립 과학 연구소(CNRS)와의 지속적인 교류를 통해 공동 연구에서의 시너지 효과를 창출해나가고 있으며, 제자들 또한 고정관념에서 벗어나 자유로운 분위기에서의 연구와 공부를 이어나갈 수 있도록 지도하고 있다. 시행착오 기반이 아닌, ‘디자인’을 통해 새로운 소재를 개발하고자 하는 것이 연구의 핵심이라고 강조하는 김형준 교수. 그와 m-design 연구실이 추구하는 스마트한 연구 프로세스가 미래를 바꿀 신소재 개발의 열쇠가 되어주기를 기대한다.

Designing a research on material development
m-design Prof. Hyungjun Kim of EEWS at KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology)
Developing next generation materials with quantum mechanics simulation
KAIST Prof. Hyungjun Kim’s team in September last year developed ‘High Efficient Electrochemical Catalyst Technology’ needed to convert carbon dioxide to carbon monoxide and attracted a great attention from the academic world. It can reduce the level of carbon dioxide while produce carbon monoxide more efficiently. Carbon monoxide is the core raw natural material to make various alternative fuels such as methanol and synthetic natural gas. It is notable that the quantum mechanics simulation done by a high performance computer took a great part in the research process.

Prof. Kim is leading m-design (Complex molecular-Systems Multiscale Design) group. The team understands and makes models of complicated phenomena happen in various materials through multi-scale simulation at the molecule level and suggests new materials and elements. By using a super computer (KISTI), the team developed a new catalyst added with 34 kinds of fine elements on the surface of Ag and proved that it can change carbon dioxide to carbon monoxide through quantum mechanics simulation. Kim says “Quantum mechanics simulation predicts chemical reaction at the atom level and we know the changes of thermodynamical energy precisely with it. Based on the simulation result, we found an ideal element that can be used for effective change of carbon monoxide. We also found the fact that it can reduce the voltage to 0.5 compared to 0.9 when sliver is used as catalyst.”

Creating a new research trend
In 2013, Kim developed next generation semi-conductor technology which improved the speed by 100 times than the existing silicon semi-conductor by using high transport speed of electric charge of Graphene and attracted a great attention from the world. Currently, Kim is working on ‘Smart Next Generation Material Development Process’ supported by Hybrid Interface-based Future Material Study Group of Global Frontier Project of the Ministry of Science, ICT and Future Planning. Kim says “Simulation-based material development process is effective in terms of its predictability for research direction and results. It can also save more times than the existing repeatable experimental methods. For this reason, it is expected to create a new research trend.” Kim also emphasized on open discussion and active communication to give new ideas and innovation. Meanwhile, he has been working together with French CNRS (National Center for Scientific Research) to create synergy effect. Power Korea supports Kim and m-design.