재료의 전산과학 어디까지 왔나?

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전산재료과학 특 집

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1. 머리말

흔히들 요즘 세상이 편해졌다고들 말하는데, 그 이유를 한번 생각해보면 거의가 컴퓨터와 연관되어 있다. 그렇다.

보이게 안 보이게 우리의 하루 86,400 초는 컴퓨터의 코 어 (core)와 함께 돌아간다. 귀성열차 예매를 해도 그렇고, 뜨는 주식공모를 신청해도 그렇다. Smart phone을 켜도, 지하철을 타도, 비행기를 탑승해도 우리는 어디선가 알게 모르게 돌아가는 수많은 코어의 도움을 받고 있다.

어림잡아 지난 50년간 컴퓨터의 성능은 10

¹⁰

배나 올라 갔다. 그리고 이 추세는 현재도 진행형이다. 주위를 둘러 보라. 10년 전만 해도 생각지도 못했던 일들이 요즈음은 보통으로 일어나고 있지 않는가. 어머니는 3차원 동영상 속에서 인터넷 쇼핑을 즐기고, 아버지는 모니터 앞에서 눈 깜짝할 사이에 주식거래를 해치우고 친구들과 스크린 골프를 즐긴다. 그런가 하면 아이들은 전설 속의 전사가 되어 공주를 구해내고. 이 모두가 컴퓨터의 발달로 가능 해진 것들이다. 잠시도 우리 손을 떠나지 않는 smart phone 도 10억 개가 넘는 나노 트랜지스터들 (nanotransistors, 각각 수백 개의 원자로 이루어진)로 된 컴퓨터인 셈이다.

이제는 사람 사이의 컴퓨터와 인터넷에서 더 나아가 사물 간 소통하는 ‘사물 인터넷’마저 크게 부각되고 있다.

특히 과학이나 공학에서 하드웨어 및 소프트웨어의 발 전에 따른 컴퓨터의 역할은 더욱 두드러진다. 먼저 하드 웨어 면에서 세계 5위 슈퍼컴퓨터를 보면 이제는 컴퓨터 계산 능력에서 ‘Exaflops (10

¹⁸

flops) 시대’가 그야말로

코앞으로 다가왔다는 것을 알 수 있다 (Table 1).

이와 같이 주판, 계산자, 기계식 계산기 (mechanical calculator), 펀치카드 (punch card) 컴퓨터, 데스크 탑 컴 퓨터, 슈퍼컴퓨터 (super computer), 클러스터 컴퓨터 (cluster computer) 등을 거치는 동안, 소프트웨어도 그에 못지않게 발전해왔다 (Table 2). 이 소프트웨어들을 이용 한 전산모사 범위는 원자, 분자, 고체 등으로 넓혀졌고, 계 산에 적용하는 원리는 단순 계산에서 고전역학을 바탕으 로 한 분자동역학 (molecular dynamics, MD), 양자역학 을 바탕으로 한 양자역학 (quantum mechanics) 등으로 물질의 근본원리에 이르기까지 깊어지게 되었다.

특히, 이Table 2에서네모상자로표시한소프트웨어들은 가장 널리 사용되어, 어느 대학, 어느 연구소, 어느 대기업에 가도쉽게볼수있는소프트웨어들이다. 그야말로실험에의 한과학이나공학이아니라컴퓨터를바탕으로한키보드사 이언스(keyboard science), 클릭사이언스(click science) 등이 자리를잡은것이다. 예로써새로운연구대상이나타났을때 이러한 전산모사 소프트웨어들의 사용은 실험의 횟수를 최 대 10배 정도로 줄이는 것으로 알려졌다. 이와 같이 실험을 줄이거나 대체하는데 따르는 비용과 시간 절감은 숫자로만 따지기는 어려우리라. 더 빠른 하드웨어, 그리고 더 똑똑한 소프트웨어. 지금은영화에서나보는‘Transcendence’의경지 까지 갈지도 모른다는 생각이 그리 황당한 생각은 아닌 것 같다 (Fig. 1).

이 리뷰는 이러한 관점에서 대학이나 기업에서 많이 쓰이는 MATLAB, LAMMPS, VASP 등을 중심으로 한

재료의 전산과학 어디까지 왔나?

글

_ 이준근

KIST 명예연구원

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특 집 이준근

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Table 2. Typical software Packages in Science and Engineering²⁾ Table 1. TOP 5 sites of Supercomputers for November 2014¹⁾

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재료의 전산과학 트렌드를 살펴 본 것이다.

2. MATLAB

Fig. 2는 전산재료과학에 동원되는 대표적 계산 툴들 (tools)을 정리한 것이다. Excel 은 비교적 기본적 수학 계산과 그래프 작성을 해주는 spread sheet 기능을 가지고 있다. 이 프로그램은 거의 모든 컴퓨터에 기본적으로 제 공되고 쓰기도 쉽기 때문에 특별히 배우지 않아도 누구 나 쉽게 쓸 수 있다. 여기서 더 나아가면 스스로 컴퓨터 프로그램을 하는데 필요한 프로그램 언어를 따로 공부하 기도 하는데, 물론 그렇게 해도 좋지만 지금은 그럴 필요 성이 없다고 본다. 왜냐하면 재료공학 분야에서 대부분

의 경우 그렇게 시간을 보내는 그런 시절은 이미 지나간 지 오래이기 때문이다. 그 부분은 물리분야나 컴퓨터 프 로그램 분야의 전문가들에게 그냥 맡겨두자.

우리들에게는 전문가들의 손으로 완성도 높게 작성된 엔지니어링 소프트웨어를 골라 쓰는 것이 훨씬 바람직하 다. 즉, 우리는 이들 엔지니어링 소프트웨어를 유용한 툴 로 생각하고 각자의 원하는 곳에 잘 쓰면 된다. 그것이 정확한 결과를 빠르고 효과적으로 얻는 지름길이고, 경 쟁에서 앞서 갈 수 있는 방법이기 때문이다. 이런 뜻에서

MATLAB 은 우리에게 그야말로 ‘딱’이다. 학교나 연구

소에서 숙제나 보고서를 받아보면 확연히 드러나는데, 이 프로그램을 쓸 줄 아는 사람의 것과 쓸 줄 모르는 사 람의 것은 그야말로 하늘과 땅 차이이기 때문이다.

특히 공학도에게 더욱 더 그런데, 개인 컴퓨터의

Windows 에서 돌아가는 MATLAB 등과 같은 공학

설계 프로그램으로 과학이나 공학의 문제해결을 빠르고 쉽게, 그리고 많은 경우에 있어서 재미있게 이룰 수 있기 때문이다. 이 추세는 회사 일선에서 설계, 분석 등에서 더 일찍부터 진행되어왔기 때문에 이를 익히는 것은 빠 르면 빠를수록 공부와 취업 후 업무수행에 큰 도움이 될 것이다.

2.1. MATLAB

여러 공학설계 프로그램들이 있지만 MATLAB은 그 속도, 편리성, 완성도, 응용성, 업그레이드 등에 있어서 단연 선두이다. MATLAB은 ‘MATrix LABoratory’의 약 자인데, 이름 그대로 매트릭스 (matrix, 행렬)를 바탕으로 한 엔지니어링 소프트웨어로써 세 가지 탁월한 특징이 있다. 먼저 이것은 다른 프로그램처럼 숫자를 바탕으로 계산하지 않고 매트릭스를 바탕으로 동시다발 계산을 하 기 때문에 계산이 빠르다. 즉, 여기서 스칼라 (scalar) 1은 1×1 매트릭스로 취급되고, 길이 5의 행벡터 (row vec- tor)는 1×5 매트릭스로 취급된다.

또 하나 특징은 그 사용하는 언어가 우리가 쓰는 말과 아주 가까운 고급 (high-level)이다. 즉, 사용언어가 과학 이나 공학에서 쓰는 용어와 같거나 비슷하기 때문에 익 히는 데 별다른 노력이 필요 없다. 세 번째 특징은 이것

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Fig. 1. An adopted scene from the movie ‘Transcendence’.

Fig. 2. Typical tools for computational materials science.

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이 돌아가는 방식이 쌍방향 대화식 (interactive)이라는 점이다. 사용자가 명령을 잘못 내리면 MATLAB은 에러 메시지를 내고 가능한 수정방법까지 제시해준다. 따라서 에러 메시지대로 고쳐나가면 어느 새 바른 명령이 내려 지고 바른 답이 나오게 되어있다.

MATLAB의 기능은 간단한 더하기, 빼기, 4p-MOR(4- point modulus of rupture)의 계산과 같은 셈에서부터 미 적분이나 연립방정식 풀이는 물론이고, 유한요소 설계나 기본적 양자역학 계산까지 아주 다양하다. 따라서 공과 대학 학부과정에서 반드시 포함시켜야 할 과정 가운데 하나라고 본다.

2.2. MATLAB으로 하는 양자역학 계산

여기서는 사용 예의 하나로 MATLAB으로 하는 양자 역학 계산

³⁾

을 소개하기로 한다. 이 ‘schrodinger’ 프로그 램에는 50 개에 가까운 스크립트들이 올라와 있는데, 양 자역학 소개에 사용되는 기초적 계산들 및 그 그래프들 을 노트북 상에서 단 1초 이내에 계산해낸다. 따라서 VASP으로 DFT 계산을 하기 전에 양자역학의 소개에서 이 프로그램을 사용하면 이해에 큰 도움이 될 수 있다.

예로써 ‘hatom.m’ 스크립트를 돌리면 H 원자 전자의 존 재밀도 (probability density) 그래프 (Fig. 3) 등 간단한 양자역학 문제들을 수치적으로 (numerically) 계산한다.

3. LAMMPS

3.1. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)

분자동역학 (molecular dynamics, MD)이란 N개 원자 로 이루어진 어떤 시스템을 놓고 원자 사이에 작용하는 경험적/반경험적 퍼텐셜을 알아낸 다음, Newton의 운동 방정식으로 풀어 시간에 따른 각 원자의 전개 (展開, evolution)를 알아내고, 그 정적 특성 (static properties) 및 동력학적 특성 (dynamic properties) 등을 밝히는 방법이 다. 이 분자동역학에서는 전자는 따지지 않고 원자단위 로만 따진다. 물질의 모든 특성이 근본적으로 전자의 상 호작용에서 나오는 것인데, 이것을 그냥 넘겨버리는 것 은 결코 정석은 아니다. 그러나 원자수가 많거나 시뮬레 이션 시간이 긴 경우에는 아직도 이 분자동역학 방법이 유일한 방법이다.

MD 프로그램에는 여러 가지가 나와 있는데, 완성도, 응용성, 업그레이드 등에 있어서 미국 Sandia 연구소에 서 무료 프로그램으로 개발, 배포되는 LAMMPS

⁴⁾

가 단 연 선두이다. 지난 10년간 무려 20여만 회나 다운로드 되었다는 사실이 이를 잘 뒷받침 해준다. 현재 2014년 12월판이 LINUX/Windows 상에서 직렬/병렬계산으로 안정하게 돌아가는 버전으로, 교실 노트북에서나 본격 연구에서나 최적이다.

3.2. LAMMPS 계산의 예

재료의 파괴현상을 알기위해서는 실험실의 Instron과 같은 시험기에서 시편을 당기거나 쪼개는 것이 일반적이 다. 그러나 다음 Fig. 4와 같이 Si-CNT (carbon nanotube) 복합재료에서 LAMMPS 계산에서 나온 데이터를 바탕으 로 균열의 진행을 보고 그 현상을 밝히는 것이 더 효율적 이고 원자 레벨에서 일어나는 변화를 들여다보는데 더 적합할 수 있다.

⁵⁾

이 전산모사를 통해 밝혀진 파괴 메커니즘을 정리해 보면 다음과 같다:

· 균열의 시작, 전파, 및 방향전환

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Fig. 3. Radial probability density of an H atom run by MAT- LAB.

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· 취상파괴와 소성파괴에 따른 원자의 움직임

· 균열이 선택적으로 진행되는 파괴 결정면 및 슬립 면 (slip plane)

· CNT의 보강 메커니즘

· Si-CNT 계면의 결합강도가 파괴 메커니즘에 미치 는 영향 등

그야말로 ‘키보드 사이언스 (keyboard science)’라는 말 이 실감나는 시뮬레이션 예이다.

4. VASP

4.1. 양자역학의 세계

Fig. 5의 두 그림이 겉으로 ‘보이는’ 정보와 확대경이 나 QR reader application으로만 읽을 수 있는 정보가 겹 쳐 있듯이, 이 세상은 우리 눈에 ‘보이는’ 고전역학 세상 과 그 아래 ‘보이지 않는’ 양자역학 세상이 얽혀있다.

즉, Fig. 6에 상징적으로 나타낸 것처럼 우리 눈에 보 이는 이 세상은 양자역학 세계 가운데 고전역학으로 간 단화가 가능한 한 부분일 뿐이다.

이 양자역학의 세계는 Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Kohn과 Sham 등의 손을 거쳐 이제는 단지 이론전개에 만 그치는 것이 아니라 재료를 대상으로 한 실질적 계산 에까지 널리 쓰이게 되었다 (Fig. 7).

우리와 같은 보통 사람들에게 막상막하의 축구경기나 선거의 결과, 주식의 등락 등을 미리 맞추기는 아주 어려 운 일이다. 대부분 틀리지만 가끔 맞을 때도 있는데, 비 록 운이었다 할지라도 우리는 꽤 기분이 좋아진다. 양자 역학 계산에서는 물질의 기본이 되는 전자의 행동을 미

리 맞춰 재료를 포함하는 모든 물질의 특성과 그 현상을 알아볼 수 있다. 운이 아니라 자연이 돌아가는 과학적 이 론을 바탕으로 미리 맞히는 것이다. 다음은 VASP 프로 그램의 간단한 소개와 함께 VASP의 수많은 계산 예들 가운데 주목할 만한 몇 가지 양자역학 계산만을 뽑은 것 이다.

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Fig. 4. Fracture of Si-CNT composite system by MD sim- ulation (matrix; Si, reinforcing material; CNT).

Fig. 7. People who made the computational materials sci- ence possible.⁷⁾

Fig. 5. Examples of two worlds in one.

Fig. 6. Two worlds in one: The underlying quantum world was recognized ~250 years after the classical world.⁶⁾

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4.2. VASP

현재 가장 실질적 양자역학 계산이론인 DFT (density functional theory)를 바탕으로 한 프로그램은 여러 가지 다 (Table 3). 각각 장단점을 가지고 있지만 사용빈도, 정 확성, 계산속도, 업그레이드 (upgrade), 포럼 (forum) 운영 등을 비교해볼 때 VASP (vienna ab initio Simulation

Package)이 단연 우위이다.

⁸⁾

따라서 이 프로그램을 쓰는

것이 데이터의 발표 및 상호비교에 좋다. 파동식의 원조 인 Schrödinger, DFT를 낸 Kohn, 그리고 VASP의 Kresse 와 Hafner (1994) 및 Kresse와 Furthmüller (1996), Wien2K 의 Blaha와 Schwarz로 이어지는‘오스트리아 계보’ 는 제1원리법에 관한 한 단연 막강군단이다. 현재 VASP가 전 세계에서 천여 개 연구팀에서 사용되고 있다는 사실 이 이를 잘 말해준다.

VASP은 대부분 알아서 스스로 돌아가기 때문에 PC 를 쓰는 공학도라면 한두 시간 만 반짝 교육을 받아도 초 보계산은 돌릴 수 있다. 그런가 하면 전문가들은 수십 개 입력 플래그 (input flags)를 써가며 돌린다. 즉, VASP 안에는 원자 수 수백 개까지 비교적 빠르고 정확한 계산 을 해내기 위해 여러 방법론들이 깔려있다.

VASP의 특징은 다음과 같이 요약된다:

· 전자에너지의 최소화 (electronic relaxation)와 이온

에너지의 최소화 (ionic relaxation)로 시스템의 바 닥에너지 (ground-state energy)와 관련 특성들 (total energies, barrier energies, band structures, density of states, phonon spectra, etc.) 및 그 현상을 계산함

· 원자, 분자, 클러스터 (cluster), 벌크재료, 표면, 계 면 (interface) 등을 대상으로 원자가 전자 (valence electrons) ~4,000 개까지 계산이 가능함

· KS 전자궤도함수 (KS orbitals)를 평면파 바탕함수 세트 (plane wave basis set)로 펼쳐 나타냄

· 실격자 (real lattice)와 역격자 (reciprocal lattice) 사 이를 오가는 FFT (fast Fourier transformations), 전 자밀도 섞기, 되풀이 대각화 등을 써서 계산을 빠르 게 함

· INPUT 파일의 플래그는 70여 개가 있으나 대부분 지정값 (default)이 주어져 있어 제1원리법의 전문 가나 비전문가가 다 쓸 수 있음

· 퍼텐셜 파일 안에 교환상관성 에너지 (E

xc

)가 전자 밀도에 따라 수치화 되어 있음

· 교환상관성 에너지는 GGA/PBE, 전이금속의 경우 는 +U 방법, 밴드 갭의 정확한 계산에는 하이브리 드 (hybrid HSE06) 방법 또는 GW 방법, 이온결합 시스템의 경우에는 van der Waals 계산법 등을 쓰는

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Table 3. Various DFT Codes⁷⁾

Fig. 8. Flow of VASP.⁷⁾

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것이 일반적임

· 전자의 수도 퍼텐셜 (pseudo-potentials, PP)은 데이 터베이스로 마련된 PAW (Blöchl 1994)를 쓰는 것 이 일반적임

VASP의 계산흐름은 전자에너지의 최소화 (electronic relaxation)와 이온에너지의 최소화 (ionic relaxation)가 반복적으로 돌아가면서 시스템의 바닥에너지 (ground- state energy)를 Fig. 8과 같이 찾아가는 것이다.

4.3. 대형 벌크 시스템의 계산 예들

VASP 계산에서 컴퓨터의 계산능력과 관련하여 두 가 지 주목할 만한 사건들을 소개하고자 한다. 하나는 2013 년 일본 RIKEN의 Yukihiro Hasegawa 등이 Si nanowire 를 차세대 FET (field-effect transistors)로 응용하는 데 있어서 RSDFT (real-space density functional theory)를 바탕으로 K 컴퓨터 상에서 전산모사를 한 것이다.

⁹⁾

이들 은 107,292 원자로 된 Si nanowire (diameter of 10-20 nm) 를 대상으로 82,944 개 노드 (nodes)를 동원하여 계산속 도 5.48 petaflops (10

¹⁵

flops)를 기록했다. 비록 벤치마 킹이 주목적이긴 했지만, 양자역학 계산에서 끝도 없이 올라가는 컴퓨터의 계산능력을 잘 보여주는 대목이다.

또 하나는 역시 벤치마킹이 주목적이었지만, 2014년 스웨덴 National Supercomputer Centre at Linköping University의 Peter Larsson

¹⁰⁾

이 VASP을 9,216 개 코어 에서 효율적으로 돌린 사실이다. 이때까지 계산효율 면 에서 64 코어가 최대라고 알아왔는데, 이 기정사실을 완 전히 깨어버린 것이다. 그는 수퍼셀 (supercell)이 충분히 크기만 하다면 (> one atom per core) 수천 개의 코어들을 한데 묶어 대량병행계산을 하는 데 효율 면에서 아무런 문제가 없다는 것을 데모해 보였다. 물론 이런 대량병행 계산이 늘 필요한 것은 아니지만, Si이 도핑된 5898 개 원자의 GaAs에는 반드시 필요한 부분이다 (Fig. 9). 또, 그는 대량병행계산에서 대부분의 계산시간 (~90%)이 전 자에너지의 최소화 (N

²

또는 N

²

logN에 비례, N = 전자수) 가 아니라 Kohn-Sham 궤도들의 대각화 (orthogonaliza- tion, N

³

에 비례)에 소요된다는 것도 밝혔다.

저자는 Fig. 4의 Si-CNT 복합재료의 전산모사를 할

때 MD 프로그램인 LAMMPS로 17081 개 원자 (Si 15961 개 + CNT 1120 개)를 다루었다. 그 때 파일 옮기기도 귀찮고 해서 클러스터를 쓰지도 않고 저자의 4-core짜리 노트북에서 그냥 돌렸다. 그러나 VASP으로는 108 개 원자를 다룬 것이 가장 큰 시스템이었고, 8 cores x 8 nodes = 64 cores를 동원한 것이 고작이었다. 이제는 VASP으로도 수만 개 원자를 다루는 것이 현실이 된 셈 이다. 이렇게 되면 위의 도핑된 시스템과 같이 1% 이하 의 원자 농도가 있더라도 주기경계조건 (periodic bound- ary conditions)을 만족하면서 시뮬레이션이 가능하다는 얘기가 된다. 날로 전산모사 시스템이 커져가고 그 계산 속도도 빨라진다 하지만 참으로 놀라지 않을 수 없는 일 이다.

4.4. GaAs nanowire의 성장 메커니즘 전산모사 예 결정성장과 같이 대형 슈퍼셀이 필요한 전산모사는 얼 마 전만 해도 MD바탕의 LAMMPS 등으로만 가능한 계 산이었다. 이제는 전혀 그렇지 않다. Pankoke 등은 512- 원자 수퍼셀을 대상으로 열전재료와 태양전지 재료의 후 보물질인 GaAs 나노와이어의 성장 메커니즘을 DFT 바 탕의 전산모사를 통해 밝혔다 (Fig. 10).

¹¹⁾

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Fig. 9. GaAs supercell with Si dopants in random posi- tions, and a big void in the middle (5898 atoms, 23564 electrons, and about 14700 bands).

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5. 트렌드

지금부터는 전산모사와 관련하여 최근의 주목할 만한 트렌드 몇 가지를 소개하고자 한다. 그 가운데 하나는 GUI (graphical user interface)의 범용화이다. 특히 VASP 을 훨씬 더 편리하게 돌리는 방법으로 여러 GUI가 나와 있는데, 그 가운데 다음 두 패키지가 가장 뛰어나다. 단, 편리한 만큼 패키지 가격은 고가이다. 돈이 들더라도 이 들 패키지를 사용해서 연구나 업무를 가속화시키는 것이 물론 바람직 하지만, 그전에 VASP을 ‘생’으로 돌려 보 고나서 그렇게 하는 것이 정석일 것이다.

5.1. Materials Studio; GUI 패키지 (GUI Package) Materials Studio는 재료뿐만이 아니라 분자, 중합체, 메 조구조체, 고분자, 바이오 물질 등 거의 모든 것에 대해 모든 것 (quantum, atomistic, mesoscale, statistical, ana- lytical, crystallization 등)을 다 다루는 ‘백화점식’ 상용 시 뮬레이션 패키지다.

¹²⁾

DFT methods (CASTEP 프로그 램), linear scaling DFT methods, QM/MM methods, semi- empirical methods, MD, lattice dynamics, Monte Carlo based methods, forcefields methods 등을 지원하는 거의 모든 시뮬레이션 툴들을 갖추고 있다 (Fig. 11).

5.2. MedeA; GUI 패키지 (GUI Package)

재료공학 분야의 시각으로 볼 때, Materials Studio가 지나치게 다양화 된 패키지라면, MedeA는 재료만을 주 로 다루는 가장 적절한 패키지라고 볼 수 있다.

¹³⁾

VASP, LAMMPS, Phonon, Surfaces, Interfaces, Nanotubes, Amorphous Materials, Trasition State Search 등 재료공 학에서 요구되는 거의 모든 시뮬레이션 툴들을 갖추고 있다. 또, 모든 입력은 쉽게 클릭이나 빈칸 채우기로 이 루어지고 (Fig. 12), 계산 종료와 거의 동시에 결과 그래 프 (밴드 구조, phonon 구조 및 모든 열역학 데이터, 전

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Fig. 12. Image from an input window of MedeA.

Fig. 10. Growth mechanism of GaAs nanowire by first-prin-

ciples modeling. Fig. 11. Typical images of Materials Studio.

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자밀도 profile, potential profile, NEB profile 등) 등이 나오게 되어있다. 이런 데이터들을 VASP의 출력 파일들 로부터 뽑아내어 간추리고 Excel이나 Origin으로 그리는 것과 비교할 때 적어도 ~100 배의 시간절약이 될 것이다.

5.3. Materials Project; Big Data

Materials Project 사이트는 재료의 데이터베이스 규모 로는 가히 골리앗이고, 그 콘텐츠를 들여다보면 가히 다 윗이다. 게다가 이 사이트는 미국 정부주도 프로젝트의 일환으로 진행되어왔기 때문에 이메일 주소만 입력하면 Web을 바탕으로 데이터베이스와 분석 툴들을 누구에게 나 공개한다. 총 10만여 개의 계산 데이터를 저장하고 있 고, 그 숫자는 월 수십~수백 개씩 증가하고 있는 만큼 이 사이트가 전산재료 빅 데이터 (big Data)의 선두주자임 에 틀림없다.

우리로써는 어떤 시스템을 하든지 먼저 여기부터 방문 해서 어디까지 되어있는지 확인해 보는 것이 바람직하다.

왜냐하면 다음 그림에서 보듯이 이 데이터베이스에는 현 재 재료의 밴드구조 데이터만 약 4만 개가 구축되어있기 때문이다 (Fig. 13). 앞으로 재료에서 어떤 새로운 밴드 구조 계산을 한다는 것이 그리 쉬운 일이 아닐 것이라는 생각까지도 든다. Materials Project는 막강한 물적 및 인 적 인프라를 앞세워 재료를 그야말로 ‘Genome식’ 접근 으로 공장에서 아스피린 찍듯 관련 계산 데이터를 쏟아 내고 있다.

^14.15)

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재료의 전산과학 어디까지 왔나?

Fig. 16. An example of Materials Project database; band structure and DOS of Mg2Mo3S4.

Fig. 13. Counts of database on Materials Project.

Fig. 14. An example of Materials Project database; Mg2Mo3S4

(Note *.cif file is available).

Fig. 15. An example of Materials Project database; Struc- ture of Mg2Mo3S4 from the *.cif file.

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통한 모든 열역학 데이터 등이 본격적으로 추가될 것으 로 본다.

이 사이트의 안으로 들어가 2차전지 재료의 하나인 Mg

2

Mo

3

S

4

를한예로보면다음그림들과같다(Fig. 14-17).

5.4. 국내동향 ; KIST/ 나노물질설계 및 2 차전지 플랫 폼

미국 등에 비해 다소 늦은 감은 있지만 KIST 계산과 학연구센터 이광렬 박사를 중심으로 구축중인 나노물질 설계 플랫폼과 2차전지 플랫폼은 웹기반의 연구개발 환 경을 제공하는 플랫폼이다. 시편 제작, 공정, 분석과 같은 실험 연구의 각 단계를 그대로 시뮬레이션을 통해 예측, 분석함으로 가상공간에서 모든 것을 구현하는 실험실 (virtual fab)인 셈이다. 이 플랫폼은 슈퍼컴을 바탕으로 한 MD 및 제일원리 계산에 차세대 웹 표준인 HTML5 를 접목시켜 ‘언제 어디서나 누구에게나’ 돌아가는 시뮬 레이션이 목표이다. 구축 참여자들은 이 플랫폼을 통해 재료연구의 아이디어들을 실험적으로 시험하기 전에 컴 퓨터상에서 그 가능성을 검증하여 나노소재 개발의 시간 과 비용을 절감하는 효과를 기대하고 있다. 사용 프로그 램은 공개 프로그램인 LAMMPS나 Siesta를 사용하여 웹기반 서비스 제공에 따른 라이선스 문제를 해결할 것 으로 본다.

6. 참고 프로그램들 및 사이트들

다음은 비록 참고 프로그램 및 사이트들이란 제목으로 분류했지만 실제 중요성과 유용성은 그 제목보다는 훨씬

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Fig. 17. An example of Materials Project database; VASP INCAR file for the electronic structure calculation of Mg2Mo3S4.

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이상인 정보들을 정리한 것이다.

· http://icsd.kisti.re.kr/first.jsp; 재료의 결정구조 데이 터베이스임

· http://www.crystallography.net; 재료의 결정구조 데 이터베이스임

· http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/amcsd.php; 재료의 결정구조 데이터베이스임

· VESTA; 계산과학에서 물질의 구조 (VASP/POS CAR, CONTCAR 등)와 그 관련 특성 (VASP/CHG- CAR, LOCPOT 등)을 가시적으로 나타내는 무료 프로그램임

·http://www.geocities.jp/kmo_mma/crystal/en/vesta.html

· VMD; 계산과학에서 원자가 움직이는 궤적 (VASP /vasprun.xml, XDATCAR 등)과 그 관련 특성을 가시적으로 나타내는 무료 프로그램임

· http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/

· Atomeye; 계산과학에서 물질의 구조, 원자가 움직 이는 궤적과 그 관련 특성을 가시적으로 나타내는 무료 프로그램임

· http://mt.seas.upenn.edu/Archive/Graphics/A/

· nanaHUB; 미국 NSF가 지원하는 나노물질의 On- line 전산모사 프로그램임, 매년 이용자가 30만 명 이상임, 보통 실시간으로 40~50 명이 동시에 전산모 사를 함, ‘Introduction to the Materials Science of Rechargeable Batteries’ 와 같은 강의 프로그램도 있음

· https://nanohub.org/

· ATK (Atomistix ToolKit); GUI 기반의 계산 툴로써 VASP, Abinit 등과 연계하여 electronic transport 등 반도체 특성들의 계산과 설계를 주로 함

· http://quantumwise.com/

7. 맺는 말

Slater가 일찍이 말했듯이 옛날부터 계산과학자들의 고민은 ‘계산을 하는 것을 바라오? 계산이 정확하기를 바라오?’이다. 이제는 그 두 가지가 다 가시권 안으로 들

어온다는 느낌이 든다. 물론 미국과 같은 선발 국가들에 한정되는 이야기이지만 우리에게도 그것이 해당될 날이 멀지는 않으리라. 자동차도 반도체도 smart phone도 K- pop도 golf도 우리나라에서는 다 그렇게 시작했으니까.

참고문헌

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