[이달의연구자] 이상욱 교수, 컴퓨터 시뮬레이션으로 신재생에너지 세계를 열다

‘촉매’가 다시 한번 주목받고 있다. 최근 촉매 기술이 수소에너지 생산, 고효율 연료전지 및 에너지저장장치(ESS) 개발 등 신재생에너지 분야에 핵심 역할을 하면서다. 보통 화학 공정에서는 철이나 알루미늄, 구리, 니켈 등 저가 금속을 촉매로 사용해도 대량생산에 필요한 효율을 얻을 수 있다. 하지만 신재생에너지 분야는 다르다. 신생 기술이다 보니 관련 연구가 충분히 이뤄지지 않아 고가 금속을 사용해야 한다. 이상욱 화학분자공학과 교수는 값비싼 희토류 대신 탄소 등 비금속 물질을 촉매로 사용할 수 있도록 돕는 컴퓨터 시뮬레이션 방법론을 개발했다. 
화학반응에서 자신은 소모되지 않으면서 반응 속도를 더 빠르게 혹은 느리게 조절하는 물질을 촉매라 한다. 마치 터널처럼 높은 산을 이전보다 단시간에 통과할 수 있게 하는 역할이다. 이전에는 합성수지, 포장재, 자동차 내외장재 등을 만드는 데 쓰였지만 현재는 신재생에너지 개발에 쓰이고 있다. 하지만 재료비로 인한 경제적 부담이 만만치 않다. 수소에너지를 예시로 물을 전기 분해하기 위해 촉매로써 백금을 사용해야 하는데 그 값만 약 40억~50억 원이 들어간다. 따라서 값싼 촉매 개발에 무엇보다 중요하다. 

▲ 이상욱 화학분자공학과 교수가 값비싼 희토류 대신 탄소 등 비금속 물질을 촉매로 사용할 수 있도록 돕는 컴퓨터 시뮬레이션 방법론의 필요성에 대해 설명하고 있다. 

촉매 소재 개발을 위해서는 촉매 표면에 주목해야 한다. 현재 이론적으로 알려진 촉매 반응 메커니즘은 엘레이 리디얼 반응(ER, Eley-Rideal Reaction)과 랭뮤어 힌쉘우드 반응(LH, Langmuir-Hinshelwood Reaction) 두 가지로 구분된다. 기존 연구개발은 에디슨식 접근으로 각각의 물질을 하나씩 모두 실험해보고, 그중 되는 하나를 찾느라 비효율적이었다. 이 교수는 인실리코(In Silico) 방식을 사용해 컴퓨터 시뮬레이션 작업으로 많은 물질의 특성을 동시에 해석했다. 양자역학/분자 동역학 기반의 전산 작업을 통해 전자 재료 소재, 에너지 소재, 나노 소재의 물리 화학적 성질을 알아낸 것이다. 이는 전자, 원자 수준에서 구조와 물리적 성질 사이의 상관관계를 해석했다는 점에서 의미가 깊다.

▲ 이상욱 교수가 개발한 컴퓨터 시뮬레이션 방법론 OPNS(One probe & NEGF surface)을 통해 촉매 표면에서 나타나는 두가지 반응인 엘레이 리디얼 반응(ER, Eley-Rideal Reaction)과 랭뮤어 힌쉘우드 반응(LH, Langmuir-Hinshelwood Reaction)을 구분할 수 있다. (이상욱 교수 제공)

이 교수는 컴퓨터 시뮬레이션을 연구에 적용하게 된 계기에 대해 “그래피틱 카본 나이트라이드(graphitic carbon nitride) 소재를 해석을 요청받아 연구하던 중 보편적으로 사용되는 에디슨식 접근 방법이 문제가 많다는 것을 깨달았다”며 “화학반응은 반드시 전자의 흐름을 명확하게 고려해야 하는데, 기존의 방법으로는 소 뒷걸음질 치다가 쥐 잡은 격으로밖에 연구하지 못했다”고 밝혔다. 때문에 이번 연구도 고성능컴퓨팅(HPC) 서버로 컴퓨터 시뮬레이션으로 자연현상에서 벌어지는 원자, 전자 운동 수식을 풀었다고 밝혔다. 이 교수는 “기존의 실험적인 연구 방법만으로는 전쟁터에 칼 한 자루만 들고 나가는 것”이라며 “기존의 실험적인 방법과 컴퓨터 시뮬레이션 방법 두 가지가 동시에 선행되어야 방패도 가지고 나가는 것”이라고 말했다.