디지털 트윈 기술의 도입은 소재/제품 개발 및 공정의 전주기 과정에서 보다 통합적이며 단절없는 디지털 가상화를 요구하고 있다. 이러한 요구는 미시적 반응, 표면 및 계면 현상을 아우르는 모델링 기법과 거시적 물리 모델 혹은 인공지능 모델의 광범위한 적용을 필요로 한다. 이는 다양한 환경조건에서 소재의 물성 데이터베이스와 미시적 현상 모사가 필요함을 의미하며, 분자동역학 시뮬레이션이 이를 달성하기 위하여 유용하게 활용될 수 있다. 본 논문에서는 평형 및 비평형 분자 동역학 시뮬레이션 방법을 활용한 물성 계산 방법을 개괄하고, 열 및 기계적 물성등 주요 물성 계산 사례들을 검토하여 제시하였다. 본 논문은 분자 동역학 시뮬레이션을 활용한 물성 계산 프레임 워크 개발과 보다 정확하며 신뢰도 높은 계산 수행에 통찰을 제공할 것으로 기대 된다.

본 논문에서는 비평형 분자동역학 시뮬레이션 기법을 사용하여 알루미늄 박막과 실리콘 웨이퍼 간 열경계저항을 예측하였다. 실리콘의 끝 단 고온부에 열을 공급하고, 같은 양의 열을 알루미늄 끝 단 저온부에서 제거하여 경계면을 통한 열전달이 일어나도록 하였으며, 실리콘 내부와 알루미늄 내부의 선형 온도 변화를 계산함으로써 경계면에서의 온도 차이에 따른 열저항 값을 구하였다. 300K 온도에서 5.13±0.17m2·K/GW의 결과를 얻었으며, 이는 열유속 조건의 변화와 무관함을 확인하였다. 아울러, 펨토초 레이저 기반의 시간영역 열반사율 기법을 사용하여 열경계저항 값을 실험적으로 구하였으며, 시뮬레이션 결과와 비교·검증하였다. 전자빔 증착기를 사용하여 90nm 두께의 알루미늄 박막을 실리콘(100) 웨이퍼 표면에 증착하였으며, 유한차분법을 이용한 수치해석을 통해 열전도 방정식의 해를 구해 실험결과와 곡선맞춤 함으로써 열경계저항을 정량적으로 평가하고 나노스케일에서의 열전달 현상에 관한 특징을 살펴보았다.

탄소나노튜브(CNT) 기반의 멤브레인은 높은 물 전달률과 직경에 따른 이온 배제율로 해수담수, 물질 정화 등을 위한 분리막으로써의 가능성을 보여 주었다. 이온 선택성은 CNT 기반 멤브레인의 응용 분야를 확대하기 위한 중요한 요소이며, 기능기를 이용하여 이온 선택성의 조절이 가능함이 보고되었다. 다양한 원자가/크기의 이온이 혼합될 경우, 이온-기능기간 작용력 뿐만 아니라 이온-이온간의 작용력, 이온의 크기에 의한 반발력 등이 복합적으로 작용한다. 이에 본 연구에서는 분자동역학 전산모사를 통하여, 상이한 원자가/크기를 가진 이온의 혼합이 기능화된 CNT의 이온 선택성에 미치는 영향을 연구 하였다. Potential of Mean Force 계산을 통하여 이온 투과에 대한 자유 에너지 장벽을 계산하였으며, CNT 크기 변화, 전하량 변화를 통하여 이온 선택성과 배제에 영향을 미치는 요소를 분석하였다. 본 연구는 CNT 멤브레인을 이용한 분리막 설계, 생체 이온 전달 채널 모사 등에 유용할 것으로 기대한다.