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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 차진혁 (JinHyeok Cha)
      양자 및 분자 시뮬레이션 기반 자동차용 신소재 개발
      차진혁 (JinHyeok Cha)(현대자동차 기초선행 연구소)
      이메일:jhneer at gmail.com
      993 4 0

    1. 본인의 연구 주제에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

    “더 강하고, 더 안전하고, 더 스마트하고, 더 값싸게”

    자동차와 관련된 연구를 하는 모든 분이 공통적으로 가지는 연구의 기준이자 목표입니다. 강하게 만든다는 말은 밀도나 강도가 높아지는 재료 또는 구조를 활용하여 안전하게 만든다는 간단한 이야기지만 그러기 위해서는 자동차의 가격이 오를 수밖에 없습니다. 그러므로 많은 엔지니어가 새로운 부품 및 소재를 적용하여, 값싸고 좋은 자동차가 만들어질 수 있도록 연구합니다.

    차량개발과정에 투입되는 많은 시간과 비용 역시 큰 범위에서는 가격의 상승으로 연결이 되기 때문에, 이를 최소화하기 위해서 시험을 하기 전 미리 성능 또는 결과를 예측하기 위한 다양한 전산모사기법(Computational Simulation)을 적극적으로 활용합니다. 현대자동차 연구개발본부에서 전산모사기법은 충돌, 소음·진동, 내구, 열, 유동 등 다양한 분야에서 적극적으로 활용되고 있으며, 특히 차량개발프로세스에서 반드시 수행하도록 표준화 되어있습니다. (Process Simulation & Engineering, Macroscale - Fig. 1)

    저는 현대자동차 기초선행연구소(Institute of Fundamental and Advanced Technology, IFAT)에 소속되어 나노 단위의 양자 및 분자역학 시뮬레이션을 이용하여 자동차용 소재의 최적 설계를 위한 물성 예측(스크리닝) 연구를 수행하고 있습니다. 조금 더 쉽게 설명을 하면, 부품을 만들기 위해 쓰여지는 재료에 대하여 여러가지 후보 물질의 종류 및 조성을 모델링하여 물성을 미리 알아보거나, 혹은 원자 단위에서 일어나는 현상에 대한 메커니즘을 확인하여 소재의 물성을 어떻게 제어해야 하는지에 대하여 연구를 하는 것입니다.

    나노 단위에서의 원자 및 분자 시뮬레이션은 일반적으로 양자역학(Quantum Mechanics) 및 분자 역학(Molecular Mechanics) 시뮬레이션으로 구분을 하며, 최근에는 컴퓨팅 시스템의 발달과 함께 메조 역학(Meso-Mechanics) 분야 역시 많이 연구되고 있습니다.

    양자역학 시뮬레이션 중 하나인 제1 원리(ab initio) 계산은 라틴어로 “from the beginning”의 뜻을 가지며, 기본적인 물리법칙과 상수 및 입자들에 대한 기본적인 정보만으로 물질의 모든 물리적, 화학적 성질을 계산하는 방법입니다. 이론적으로, 슈뢰딩거방정식을 풀 수 있다면 양성자, 중성자 및 전자의 수와 위치만 알아도 그 계의 모든 정보를 알 수 있습니다. 물론, 그 수가 많아지면 수학적으로 이 방정식을 푸는 것은 불가능에 가까우므로 많은 근사(approximation)를 사용하게 됩니다. 근사의 방법에 따라 대표적으로 두 가지 계열로 나뉘는 데 전자의 파동함수를 도출하는 하트리-폭(Hartree-Fock, HF) 방법과 많은 전자의 파동함수 대신 파동함수를 제곱한 밀도함수로 대체한 밀도범함수이론(Density Functional Theory, DFT)입니다. 이 DFT 계산을 이용하여 선택능(selectivity)이 향상된 차량용 냄새 센서의 표면설계, 친환경 차량용 중희토류계 영구자석의 조성에 따른 자기모멘트 예측, 차량 엔진블럭의 열전도율 향상 합금설계 등의 분야에 활용하여, 연구개발 비용을 감소시키고 시간을 단축했습니다. (Quantum Mechanics, Sub-nanoscale - Fig. 1)




    2. 자동차회사에서 양자 및 분자역학 시뮬레이션을 활용하여 연구를 한다고 하니, 조금 생소하게 느껴지는데 구체적으로 어떻게 연구에 활용되는지 궁금합니다.

    "현대자동차에서도 이 분야를 연구하시네요?”

    학회 또는 워크샵에 가면 처음 교류를 가지는 분들께서 자주 하시는 질문입니다. 자동차회사에서 활용한다고 하기에는 매우 작은 스케일이라 그런지 다들 놀라시기도 합니다. 사실 소재를 활용하여 만들어지는 부품들이 크다 보니 활용하는 사례가 없다고들 생각을 하시는 것 같습니다. 자동차 산업이 발전하면서 구조적으로 개선되고 취할 수 있는 부분들이 점점 포화상태가 되면서 오히려 부품의 근간이 되는 소재에 관심을 가지게 되었습니다. 이로 인해 작은 단위에서의 연구들을 큰 단위로 가져가는 형태의 연구도 시작되게 되었습니다. 현대자동차 중앙연구소에서도 이 분야를 활용한 연구를 2010년부터 시작하였습니다. 저는 2014년에 입사하여 나노입자를 첨가하여 냉각수의 열전달 성능을 향상시키는 연구부터 참여하게 되었습니다.

    엔진에서 발생하는 열을 냉각시키는 냉각수에 나노입자가 첨가되면, 냉각 성능이 높아져서 냉각수가 지나다니는 통로인 워터자켓이나 라디에이터를 다운사이징 할 수 있을 것이라는 가능성에서 시작된 연구입니다. 나노유체는 나노입자가 유체 내에서 분산성을 얼마나 잘 유지하는지가 가장 중요한 부분입니다. 하지만, 나노입자의 분산성을 평가하고 표면 개질을 통해 분산성을 향상할 수 있는가에 관한 연구는 실험적으로는 사실상 어렵습니다. 그래서 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 입자의 분산성을 정량적으로 평가하여, 표면에 있는 기능기들이 분산성에 미치는 영향과 어떤 물리적/화학적 구조를 가진 기능기가 효과적인가에 관한 연구를 진행했습니다. (Fig. 2)



    이어서, 메조역학 시뮬레이션 (본 연구에서는 Coarse-Grained Molecular Dynamics (CGMD) Simulation 기법사용) 을 이용하여 관 (pipe) 내에 흐르는 냉각수의 유동 (Newtonian Fluid) 을 구현하고 열이 전달되는 과정에서 나노입자가 첨가 되었을 때 어떻게 열전달 효율이 달라지는가에 관한 연구를 진행했습니다. (Fig. 3)



    메조 역학 시뮬레이션은 여러 개의 원자 또는 분자 덩어리를 하나의 입자로 간주하여 입자간 힘장에 따라 입자의 거동이 일어나게 하는 기법으로 시간 및 공간적인 측면에서 분자동역학 시뮬레이션보다는 더 큰 단위에서의 시뮬레이션이 가능합니다. 나노입자가 첨가된 나노유체와 엔진과의 열교환에 대한 뉴턴 유동 (Newtonian Flow) 을 모사하여 그 상사성 (Similarity) 를 높였습니다. 이 연구를 통하여, 나노유체의 열전달이 되는 메커니즘을 일정 부분 규명하였고, 후보 첨가 입자들의 성능을 예측하는 근거로써 활용할 수 있는 틀을 만들었습니다.

    또 다른 연구 수행 사례로써, 높은 열전도율을 가지는 실린더 헤드개발을 통한 열효율 향상에 관한 연구가 있습니다. (Fig. 4) 잘 아시다시피 엔진에서는 많은 열이 발생을 합니다. 이 열을 어떻게 관리하는지에 따라 자동차의 연비는 천차만별로 달라집니다. 이 연구는 엔진에서 발생한 열에 대하여, 높은 열전도율을 가지는 실린더헤드가 온도의 상승을 일정부분 감소시키게 되면서 연비개선의 효과를 얻을 수 있다는 점에 착안하여 시작된 프로젝트였습니다. 합금을 설계 한다는 것은 수많은 종류의 원소들을 일정한 조성비에 따라 최적의 물성을 가지는 상태로 만드는 것으로, 실험으로 접근할 경우 많은 경우의 수가 발생하기때문에 상당한 시간과 노력을 요구합니다. 합금 후보군에 대하여 물성의 평가까지 진행을 하게 되면 결코 쉬운 일이 아닙니다.

    우리는 양자역학 시뮬레이션을 기반으로 만들어진 합금의 열전도율을 예측하는 시뮬레이션을 진행했습니다. 보통은 원자 및 분자 단위에서 시스템의 열전도율을 평가하는 것은 포논 (phonon) 에 의한 열 이동이 지배적이기 때문에 분자 동역학 시뮬레이션을 이용하지만, 금속(합금)의 경우에는 전자 (electron)에 의한 이동이 지배적이기 때문에 DFT계산을 이용하여 열전도율을 예측하였습니다.




    최근에는, 수소전기차의 핵심요소인 ‘막전극접합체’(Membrane Electrode Assembly, MEA)내 양성자교환막(proton exchange membrane, PEM)에 대하여 연구를 진행했습니다. 양성자교환막은 고분자로 이뤄져 있고 양성자의 교환을 담당하며, 이는 수소전기차의 성능과 직결되는 중요한 요소입니다.

    지금까지 이와 관련하여 많은 연구가 진행되어 왔으나 아직 명확하게 규명되지 못한 부분이 많기 때문에, 개선을 위해서는 여러 관점에서의 연구가 필요합니다. 본 연구에서는 화학적(합성)으로 제어가 가능한 고분자의 측쇄(side chain)가 양성자(양이온)의 이동에 미치는 영향에 대하여 예측하였습니다. (Fig. 5)

    특히, 양이온의 모든 거동을 포함하여 도출하는 기존 이온의 전도성에 대한 평가법과는 다르게, 양이온이 흡착과 탈착을 반복하는 거동을 상태 적으로 정의하고 직관적으로 이동을 예측하여 메커니즘을 규명하였습니다. 본 연구에서는 기존에 사용되었거나 상용재로써 양산에 적용되는 잘 알려진 고분자가 평가되었지만, 이를 기반으로 본격적으로 추가연구가 진행되고 있습니다.




    3. 현대자동차의 기초선행연구소에 계시다고 들었습니다. 기초선행연구소의 소개와 현재 주로 하고 있는 연구와 업무에 대해 소개를 부탁드립니다.

    자동차 한 대가 개발되어 완성되기까지 약 20개월이 필요합니다. 이 기간에 수백 개의 팀에 수천 명의 연구원들이 개발에 참여합니다. 수많은 종류의 자동차가 개발되고 양산이 되는 동안, 다음 세대의 자동차 기술에 대한 연구를 함께 연구하기는 결코 쉽지 않은 일입니다. 당장 2~3년 안의 적용 개선 기술에 대한 연구는 가능하지만, 동시에 현재의 자동차 산업의 흐름을 읽어 수년 뒤의 미래기술에 대해 연구를 하는 것은 현실적으로 어렵습니다. 현대자동차 기초선행연구소는 짧게는 5년, 길게는 10년 뒤 자동차에 적용을 될 미래기술과 연구개발의 기초가 되는 요소 및 원천기술 연구를 주요 업무로 하는 연구개발본부 직속 연구조직입니다. 크게 친환경에너지 및 첨단소재 분야 2개의 랩(Laboratory)으로 구성되어 있습니다

    친환경 에너지 분야는 차세대 에너지 저장과 변환 기술, 빅데이터 활용한 버추얼 소재 설계·분석 및 친환경 촉매기술·화학소재, 이산화탄소 저감과 바이오 소재, 수소에너지를 연구하고 있고, 첨단소재 분야는 사물인터넷, 헬스케어 등 미래 모빌리티 소재와 3D 프린팅 등 혁신공정, 차량용 반도체 기술과 고성능 장치에 활용되는 나노 센서에 관한 연구를 하고 있습니다. 여러 연구 그룹 중, 저는 버추얼 소재 설계 그룹에서 차세대 배터리 전해질 물성 제어 및 전극계면설계를 위한 물성 스크리닝, 전동화 소재 (중희토류 저감 자석 등) 합금 설계를 위한 자성예측 양자역학 시뮬레이션 등의 연구를 진행하고 있습니다.


    4. 학계에서 공부를 할 때와 실제 업체에서 일하면서 연구나 생활 등에서 많은 변화와 차이가 있을 거 같습니다. 어떠신가요?

    2014년 입사하여 처음 연구 활동을 시작할 때, 사실 많은 걱정을 했지만 적응하기까지 그리 많은 시간이 걸리지는 않았습니다. 학계와의 가장 큰 차이라고 제가 느낀 부분은 목표를 향한 관점이 다르다는 것이었습니다. 학계에서는 새로운 발견과 이 발견이 실현되었을 때의 잠재적인 가치에 대하여 주목한다면, 산업계에서는 어떻게 하면 실현이 될 수 있을까에 집중하여 연구 활동을 한다고 보면 될 듯합니다.

    또한, 연구를 진행하는 규모적인 측면에서 차이가 있습니다. 일반적으로 하나의 기술로만 실현될 수 있는 연구는 없기 때문에 여러 연구자와 함께 연구를 진행하게 됩니다. 학계는 각 연구 그룹이 매우 독립적이며 공동으로 연구를 진행하게 되더라도 어느 정도 한계가 존재하지만, 산업계는 많은 연구그룹이 공동으로 연구를 진행할 수 있도록 경제적인 지원이 충분히 가능합니다. 더불어, 연구 기술의 확장 면에서도 학계보다 유연하여, 새롭게 필요한 기술은 언제든 배우고 확장할 수 있도록 독려합니다.

    그리고, 학술 (연구) 교류 활동을 하는 대상과 연구 활동에 대한 느낌이 다릅니다. 학계에서는 대학 또는 국립 (정부 출연) 연구소의 연구 그룹 간 학술교류가 주된 교류 활동이지만, 산업계에서는 이와 더불어 많은 기업 (회사) 연구소 간 교류가 있습니다. 기업 연구소에서의 연구는 기술의 선진성은 학계 그것보다 조금 늦을 수 있지만, 실현 가능성은 큰 편입니다. “조금만” 더 연구한다면, 손에 잡히는 기술이 세상에 나올 수 있다는 느낌은 연구자가 더 연구에 몰입할 수 있는 기운을 줍니다.



    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    석사학위 및 박사학위 과정 동안 지도해주신 도쿄대학 마루야마 시게오 교수님 (Distinguished Prof. Maruyama Shigeo @The Univ. of Tokyo)께 가장 많은 영향을 받았습니다.

    무엇보다도 진정한 연구의 의미와 연구자로서 가져야 할 자세 그리고 나아가야 할 방향 등 기본적인 부분을 배웠고, 연구 결과에 대한 긍정적인 피드백을 통해 스스로가 깨우치며 연구 방향을 정할 수 있는 연구자로서의 근간이 되는 힘을 길러 주셨습니다. 마루야마 교수님께서는 열전달 분야 조예가 깊으시고, 특히 수치해석을 기반으로 한 열물 성의 예측 시뮬레이션 분야에서는 많은 저술을 하실 만큼 전문성을 가지고 있으십니다. 2000년대에 들어서, 여러 물성이 뛰어난 탄소나노튜브 (Carbon Nanotube)의 합성 기술과 물성 예측 및 평가기술에 대한 연구를 깊이 있게 진행하고 계십니다. 항상 몇 걸음 앞을 내다보고 계시는 교수님의 통찰력은 만나 뵐 때마다 놀랍고 가장 배우고자 노력하는 부분입니다.

    그리고, 같은 연구실의 치아시 쇼헤이 교수님 (Prof. Chiashi Shohei @The Univ. of Tokyo)이 있으십니다. 연구에 관한 것이라면 언제, 어디에서, 무엇을 여쭤보더라도 항상 진지하게 디스커션에 응해주시고 누구보다 열정적으로 피드백을 주시는 분입니다. 치아시 교수님께서 가르쳐주신 논리적으로 학술 논문을 작성하는 방법과 연구자에게 논문이 주는 의미, 그리고 이를 비판적으로 바라볼 수 있는 힘을 기르는 방법은 항상 신중하게 연구에 임할 수 있도록 해주는 밑거름이 되었습니다. 대학원과정을 마치고 한국으로 돌아온 지 5년이 넘었지만 지금도 여전히 두 분 교수님과 함께 저널 논문을 쓰고 자주 안부를 물으며 지내고 있습니다.




    6. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    내가 하는 이 연구가 세상을 바꿀 수 있을까’라는 생각은 연구 활동을 하는 모든 사람이 한 번씩 해보았을 겁니다. 현대자동차에 입사하면서부터 그 ‘생각’은 그저 생각으로만 머무르지 않고, 세상을 바꾸는데 보탤 수 있는 작은 힘이 될 수 있다는 생각으로 조금씩 바뀌고 있습니다. 최근 들어 회사 내 다른 연구센터나 사업부서로부터 아직 생소할 수도 있는 원자/분자 역학 시뮬레이션 기술 분야에 대하여 설명회, 세미나 혹은 자문 등을 요청하는 경우가 점점 증가하고 있습니다. 사정을 여쭤보면, 이전에 수행한 연구 결과를 보고 본인들의 이슈에 적용하고 문제를 풀고자 연락을 주신 경우가 많았습니다. 제가 수행한 연구의 결과가 다른 사람들의 관점에서 타당하게 비춰진다는 것은 매우 보람되고 기쁜 일입니다. 앞으로도 좋은 결과를 생산하여 다른 엔지니어들이 더 나은 방향을 선택할 수 있도록 책임감 있는 연구를 하고 싶습니다.


    7. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

    수치해석을 이용하여 원자 분자 스케일에서의 여러 현상을 해석하는 분야는 오랫동안 연구되어 왔습니다. 무엇보다도 컴퓨팅시스템의 발달은 더 거대한 규모의 계산 시스템과 현실에 가깝게 구현할 수 있는 가능성을 높여주었습니다. 아직 “이론적으로는”이라는 말이 사용되기는 하지만, 점점 더 시뮬레이션의 결과가 실험에서의 결과와 차이가 거의 없는 수준으로 발전할 것으로 생각합니다. 특히, 세계적으로 많은 그룹에서 다루고 있는 머신러닝 (Machine Learning) 및 딥러닝 (Deep Learning)을 기반으로 한 재료 정보학 (Materials Informatics)에서의 연구 결과물은 이미 많은 연구자가 활용하고 있습니다.

    힘, 운동, 및 에너지라는 개념은 기계공학을 전공한 사람이라면 익숙하고 쉽게 다룰 수 있습니다. 전자 간 상호작용, 원자 및 분자 간 상호작용에 대한 연구 분야는 모두 힘과 운동, 에너지 대한의 정의에서부터 시작합니다. 충분한 기초지식을 습득하고 있는 사람이 다른 전공자보다 양자 / 분자 역학 시뮬레이션을 이용한 연구를 더 깊이 있게 다룰 수 있을 것으로 생각합니다. 혹시 기계공학 전공인 대학생분들 중 이 분야의 연구를 하고 싶다고 생각한다면 여러 기본 역학 과목을 비롯한 통계역학, 양자역학, 수치해석 과목을 열심히 수강하시면 분명 도움이 되리라 생각합니다.



    * 차진혁 박사의 대표(최근)논문

    • J. Cha, “Morphological Effect of Side Chain on Hydronium Conductance Inside Polymer Electrolyte Membranes of Automotive Fuel Cells: A Molecular Dynamics Simulations Study” Journal of Physical Chemistry B (2020) (under review)
    • J. Cha, S. Chiashi, T. Inoue, E. Einarsson, J. Shiomi, S. Maruyama, “Fabrication of uniform vertically-aligned carbon nanotube–polymer composite thin films by capillary flow intrusion” Japanese Journal of Applied Physics 57 (11) (2019) 115101.
    • J. Cha, W. Kyoung, “Molecular dynamics simulation of the effects of affinity of functional groups and particle-size on the behavior of a graphene sheet in nanofluid” Computational Materials Science 139 (2017) 202−208.
    • J. Cha, W. Kyoung, K. Song “Molecular dynamics simulation of dispersion improvement of graphene sheets in nanofluids by steric hindrance resulting from functional groups” Molecular Simulation 43 (2017) 228−233.
    • J. Cha, W. Kyoung, K. Song, S. Park, T. Lim, J. Lee, H. Kang, “Quantitative Evaluation of the Dispersion of Graphene Sheets With and Without Functional Groups Using Molecular Dynamics Simulations” Nanoscale Research Letters 11 (2016).


     
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