4배 빠른 '고분자 시뮬레이션' 개발…신소재 개발 속도 높인다

이재은 기자 / 기사승인 : 2022-08-09 13:27:25
  • -
  • +
  • 인쇄
UNIST 연구팀, 통계물리에 AI 더해 속도·정확도↑
▲김재업 UNIST 물리학과 교수(왼쪽)와 제1저자 용대성 박사(오른쪽)


국내 연구진이 옷감이나 플라스틱 등에 쓰이는 '고분자'(polymer) 소재의 적합성을 판별하는 데 걸리는 시간을 4배 이상 빠르게 앞당기는 기술을 개발했다. 이 기술을 응용하면 신소재 개발 속도가 더 빨라질 것으로 기대된다.

8일 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 김재업 교수팀은 1주일정도 소요되던 고분자 계산을 하루만에 끝낼 수 있는 'AI 고분자 시뮬레이션 기술'을 개발했다. 해당 기술은 오픈소스 프로그램으로도 공개돼 고분자 시뮬레이션 발전에 이바지할 전망이다.

고분자 소재는 의류나 플라스틱 제품 등 우리 일상에서 흔히 사용된다. 새로운 고분자 소재를 합성했을 때 개발 목적에 부합하는지 여부를 판단하기 위해 연구자들은 실험을 통해 물성을 알아낸다. 다만 다량의 시료와 여러 번의 분석이 필요해 시간이 오래 걸린다는 문제가 지적돼 왔다.

이같은 문제를 해결하기 위해 고분자의 복잡한 사슬구조를 정밀하게 계산할 수 있는 '랑주뱅 장이론 시뮬레이션'(Langevin Field Theoretic Simulation·L-FTS)이 개발됐지만, 이마저도 계산량이 너무 많아 고성능 GPU(그래픽 처리 장치)를 써도 시뮬레이션 한번에 며칠씩 소요됐다.

김재업 교수팀은 AI기술로 알려진 딥러닝(Deep Learning) 기계학습을 활용해 L-FTS의 단점을 극복했다. L-FTS를 수행하려면 고분자가 힘을 받아도 부피가 줄지 않는 '비압축성' 지점을 찾는 작업을 수십만번 이상 수행해야 한다. 또 예측치와 실제 결과치의 편차를 줄이기 위해 해당 예측 작업을 50회가량 반복해야 했다.

하지만 김재업 교수팀의 이번 'AI 고분자 시뮬레이션 기술'로 50회씩 반복하던 예측 작업을 2~4회로 줄일 수 있어 기존보다 6배 이상 빠르게 시뮬레이션을 수행할 수 있게 됐다. 인공신경망 훈련을 위한 데이터 준비와 훈련에 드는 시간을 포함해도 기존 대비 최소 4배 이상 속도가 향상됐다.

▲L-FTS에 딥러닝을 도입해 예측한 결과와 기존 예측 결과 비교


제1저자인 용대성 고등과학원(KIAS) 연구원은 "지금까지는 작은 고분자계에서 매우 제한적으로 수행됐던 '장이론 시뮬레이션'을 대면적 박막이나 복잡한 형상이 예상되는 고분자에도 사용할 길이 열렸다"고 밝혔다.

이번 연구는 특히 '기계학습 기반의 시뮬레이션 방법의 한계로 지적됐던 낮은 정확도를 극복한 기술'이라는 점에서 주목받는다. 최근 수치적 계산과 시뮬레이션을 빠르게 수행하기 위한 AI 분야의 기계학습을 이용한 해법이 많이 제안됐지만, 대부분 정확도가 낮고 AI 훈련에 많은 시간이 요구됐기 때문이다.

김재업 교수는 "이번 기술은 심층인공신경망이 예측한 답을 그대로 사용하는 게 아니라, 예측치와 정답의 차이를 다시 계산해 새로운 입력값을 부여해 더 정밀한 예측이 가능하다"며 "이 덕분에 몇번의 예측으로 원하는 수치적 정밀도를 얻을 수 있다"고 설명했다. 김 교수는 이어 "기존의 편미분 방정식이나 밀도 범함수 이론(DFT)의 해를 얻는 문제 등의 다양한 문제에 이 기술을 적용해볼 수 있어 여러 분야로 응용될 것"이라고 전망햇다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 기초연구실사업(BRL), 세종과학펠로우십의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 고분자 연구 권위지인 '매크로몰레큘스'(Macromolecules)에 출판됐다.

Copyright @ NEWSTREE All rights reserved.

뉴스트리 SNS

  • 뉴스트리 네이버 블로그
  • 뉴스트리 네이버 포스트
  • 뉴스트리 유튜브
  • 뉴스트리 페이스북
  • 뉴스트리 인스타그램
  • 뉴스트리 트위터

핫이슈

+

Video

+

ESG

+

[영상] 울면서 머리카락 자르는 그녀…이란에서 무슨 일?

이란에서 20대 여성이 히잡을 제대로 착용하지 않았다는 이유로 구금됐다가 의문사하자 이에 항의하는 '히잡 시위'가 전 세계로 확산하고 있다. 시위

SPC 파리바게뜨, 경산 대추농가 돕는다

SPC그룹의 베이커리 브랜드 파리바게뜨가 경상북도 경산시, 농협중앙회경산시지부와 '경산대추 소비 활성화를 위한 상생협약'을 체결하고, 경산 지역

두나무가 나무 키운다…NFT 판매 수익금 산림청에 전액 기부

블록체인 및 핀테크 전문기업 두나무가 디지털 아트 전시회 '포레스트전'에서 발생한 NFT 낙찰 대금 일부와 판매 수수료 전액을 산림청 산하기관인 '한

국내 시멘트는 쓰레기?…발암물질 EU 기준의 최대 4.5배

국내 시멘트의 1급 발암물질 기준이 유럽연합(EU) 기준치의 2배에 달하는 것으로 나타났다.30일 국회 환경노동위원회 소속 더불어민주당 노웅래 의원이

"美플로리다는 지금 전쟁터"…역대급 허리케인에 쑥대밭

역대급 강도의 초강력 허리케인 '이언'(Ian)이 미국 플로리다주를 빠져나가면서 피해 상황이 구체적으로 확인되고 있다.CNN 방송 등 외신의 29일(현지시

"가뭄·녹조 하늘에서 감시"…위성으로 기후재난 대응

수자원위성을 활용한 체계적인 재해 대비와 수자원 확보를 위한 '수자원위성 개발 지원법'이 어제 발의됐다.30일 더불어민주당 진성준 의원이 2025년 발

TECH

+

LIFE

+

순환경제

+

Start-up

+