최근 들어 컴퓨터 및 소프트웨어 기술의 발달로 전산모사 관련 연구가 급격하게 늘어나고 있는데, 특히 원자의 개수 및 모델 크기의 문제로 기존에는 많은 제약을 받던 고분자 관련 다양한 전산모사 결과들이 발표되고 있다. 본 연구에서 는 고분자 소재를 필름형태의 분리막으로 활용하기 위한 중요한 특성 중 하나인 기계적 특성을 분자동역학 전산모사를 이용 하여 분석하고자 하는 연구를 진행하였다. 이를 위하여 이미 관련 물성이 널리 보고되어 있는 상용 고분자 소재인 polyethylene (PE)과 polystyrene (PS)을 대상으로 선정하여 주쇄길이 차이를 통한 각 고분자들의 인장특성을 비교하였고, 최종적 으로 분자동역학 전산모사의 기계적 특성 분석이 적합한지 확인하고자 하였다. 밀도, radius of gyration, scattering 분석을 통 해 본 연구에서 제작된 모델이 실제 실험에서 얻어진 기계적 특성 경향과 잘 일치함을 알 수 있었고, 따라서 분자동역학 전 산모사를 이용한 기계적 특성 분석이 다양한 고분자 소재들의 분자 구조에 따른 기계적 특성을 예측할 수 있게 해주며, 실제 실험에서는 적용하기 어려운 다양한 변수들을 반영한 기계적 특성 해석도 가능하게 해 줄 것으로 기대된다.

최근 들어 여러 산업 분야에 활발히 사용되고 있는 고분자 분리막은 화학구조의 제어나 제막공정에서의 물리적 특성 제어뿐만 아니라 다양한 소재와 혼합된 복합막 제조를 통해서 고유의 특성을 부여할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 분리막 제조 시에 누에(Bombyx mori)가 생산한 친환경 천연소재로 활용 가능성이 넓은 실크 고분자의 복합막 제조 시 다른 소재와의 혼화성 지표로 사용할 수 있는 용해도 파라미터를 분자동역학을 이용하여 계산하였다. 역시 친환경성 및 생체적합성을 갖고 있는 polyvinylalcohol (PVA)의 용해도 파라미터를 분자동역학을 이용하여 계산 후 서로 비교하였을 때 두 고분자 소재가 비슷한 용해도 파라미터 값을 갖는 것을 확인하였다. 결론적으로, 두 고분자가 서로 잘 혼합될 수 있음을 이론적으로 증명하였고, 실제 실험을 통해서도 이를 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 수전해용 ionomer의 분자동역학 전산모사 모델 제작을 위하여, 과량의 물 분자가 존재하는 수전해 시스템의 특성을 반영한 ionomer 모델을 제작한 후, 기존 연료전지용 전해질막 전산모사 조건에 맞춰 제작한 ionomer 모델과 비교하였다. 최종적으로 얻어진 모델은 과불소계 ionomer의 중요 특징 중 하나인 명확한 상분리 및 수화채널이 관찰되었으며, 과량의 물 및 높은 운전 온도 조건에서도 물에 녹지 않고 안정된 구조를 나타내었다. 제조된 ionomer 모델에서는 과량의 물 분자로 인한 이온 희석 효과로 이온 전달 성능 감소가 나타났으며, 반대로 수소 기체의 투과는 더 증가할 것으로 분석되었다. 따라서 이러한 수전해 시스템의 특성을 반영한 수전해용 ionomer 분자 구조 설계 전략이 필요하고, 분자동역학 전산모사 연 구 시에도 이를 감안한 수전해용 ionomer 모델 제작이 필요하다.

고분자 소재 및 이를 이용하여 제조된 분리막에 주로 활용되는 전산모사 도구들은 모사대상의 크기 및 모사하고자 하는 시간에 따라 여러 가지 분야로 나뉘어진다. 본 총설에 소개되는 전산모사는 그 중에서 전산재료화학에 주로 사용되는 양자역학(quantum mechanics; QM), 분자동역학(molecular dynamics; MD), 메조스케일 전산모사(mesoscale modelling), 이 렇게 3가지로 분류된다. 고분자 연구에서 사용되는 전산모사는 각각의 전산모사의 종류마다 연구내용이 달라지는데, 양자역학은 분자, 원자, 전자 등 미시적인 계의 현상을 다루어 작은 크기의 현상을 연구하고, 분자동역학은 원자들 사이의 퍼텐셜 또는 힘이 주어졌을 때 뉴턴의 운동방정식에 따른 원지 및 분자의 움직임을 수치적으로 풀어내고, 메조스케일 모델링은 원자 들을 묶어서 그룹형태로 만들어 비드를 형성해 비교적 큰 분자량에서 계산시간을 줄여 거시적으로 판단하는 연구가 된다. 본 총설에서는 고분자 및 고분자 분리막에 주로 활용되는 다양한 전산모사 프로그램을 위에서 분류한 3가지 종류로 나누어 각각의 특징과 사용분야 등을 소개하고자 한다.

본 연구에서는 고분자 전해질막을 구성하고 있는 고분자 주쇄의 반복단위 개수를 변경해 가며 수화채널 모폴로지 와 이온전도도의 변화를 비교하였고, 최종적으로 분자동역학 전산모사 수행 시에 적정한 고분자 모델을 선정하기 위한 기준 을 제시하고자 하였다. 고분자 주쇄의 길이가 가장 짧은 모델에서 주쇄 및 술폰산기의 움직임이 커지는 것을 관찰할 수 있었 지만, 수화채널 모폴로지는 특별한 상관관계를 발견할 수 없었다. 또한, 수화채널 모폴로지에 가장 큰 영향을 받는 수소이온 전달 능력의 특성 상, 수소이온 전도도에서도 고분자 주쇄의 길이와 큰 상관관계를 보이지는 않았다. 이러한 결과는 특히 바 인더용 이오노머 제조에 대한 중요한 정보를 제공한다. 일반적으로 바인더용 이오노머의 경우 고분자 전해질막 소재를 저분 자량으로 합성하여 사용하게 되는데, 이때 주쇄/술폰산기의 움직임이 향상되므로 촉매층을 잘 둘러싸는 역할을 할 수 있는 반면에, 수소이온 전달 능력 자체에 있어서는 특별한 변화가 없을 것을 예상할 수 있다. 결론적으로, 바인더용 이오노머 제조 시에는 수소이온 전달 성능보다는 물성에 좀 더 초점을 맞추어 분자량 및 구조 설계가 필요할 것이다.

본 연구에서는 분자동역학에서 원자의 움직임을 정의하는 가장 중요한 요소인 force-field가 실제 고분자 및 기체 분자의 움직임에 어떠한 영향을 주는지 알아보고자 하였다. Repeat unit과 고분자 구조는 본 연구에서 사용된 5종의 force-field 에서 모두 정상적으로 작용을 하였고, 최종 고분자 3D 모델에서 고분자 linear chain의 분포에서도 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 실제 기체 분자의 움직임은 매우 다른 경향을 나타내었으며, 이는 같은 functional form을 사용하는 COMPASS와 pcff 에서도 관찰되었다. 따라서 동일한 구조라고 하더라도 기체 분자의 운동은 시간에 따라 지속적으로 force-field의 영향 하에서 움직이기 때문에, 고분자 linear chain과 같은 거대 분자에 비하여 그 영향을 훨씬 크게 받는다는 것을 알 수 있으며, 결론적으로 서로 다른 force-field의 사용 시에는 결과 비교에 있어서도 매우 신중을 기해야 할 것이다.

고분자는 많은 수의 원자로 구성 되어 있기 때문에, 분자동역학 연구 시 다양한 변수를 고려 해야 하는 어려운 연구 대상이다. 구성 원자 개수가 너무 많은 경우 계산 시간이 오래 걸리는 문제점이 있으며, 반대로 원자의 개수를 너무 줄일 경우에는 실제 모사 대상을 정확하게 반영하지 못할 수가 있다. 특히, 기체 분리와 같은 분야에서는 기체 분자가 고분자 내에서 투과하는 것을 반영한 계산이 필요하기 때문에 오랜 시간동안 계산을 하게 되며, 이로 인하여 모델의 크기를 정하는데 있어서 앞서 언급한 모든 요소를 적절히 고려하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 분자동역학 전산모사에 있어서 고분자를 구성하는 원자의 개수와 그에 따른 영향을 연구하기 위하여, 고분자 주쇄 길이를 조절하면서 고분자 모델의 특성을 분석하였다.

고분자 분리막의 분자동역학 연구에서는 구성 원자 개수가 많고 투과 거동 계산시 긴 시간을 필요로 하기 때문에 적절한 고분자 주쇄의 길이를 선택하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 이러한 고분자 주쇄 길이와 투과 거동 간의 상관 관계가 실제 분자동역학에서 어떻게 나타나는지 조사를 하고자 하였다. 널리 알려진 상용 고분자 Kapton® 폴리이미드 구조 를 이용하여 분자동역학을 수행하였고 기체 투과 거동을 분석하였다. 고분자 주쇄의 움직임은 그 길이와 큰 연관성이 없었으 며, 일반적인 인식과 달리 짧은 주쇄 길이를 갖고 있다고 해서 더 활발하게 움직이는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 고분자 주쇄의 말단기는 상대적으로 움직이기 쉬울 것이라는 예상과 달리, 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자보다 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다. 최종적으로 기체 분자의 투과 성능에서도 고분자 주쇄의 길이 및 말 단기에 따른 영향은 관찰되지 않았다. 이는 기체 투과 전산모사에서 많이 언급되는 말단기 효과를 실제 전산모사에 적용할 경우, 각각의 모델 특성에 따라 제한적으로 적용을 하고 이에 대한 검증 과정을 반드시 수행하여야 한다는 것을 의미한다.

고분자 분리막을 구성하고 있는 고분자의 종류에 따른 화학구조는 고분자 분리막의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소가 된다. 그러나, 고분자의 경우 다양한 주쇄 구조 및 작용기 구조, 그리고 복잡한 구조적 특징을 갖기 때문에, 기존의 실험적인 방법을 통한 분석으로는 정확한 내부 구조를 파악하는 데에 한계가 있다. 양자역학, 분자동역학 등 분자 전산모사 기술은 이러한 고분자의 내부 구조를 원자 및 분자 수준에서 직접 파악하는 데 도움을 줄 수 있다. 이외에도 메조스케일 전산모사 기술은 원자를 그룹화하여 하나의 구슬(bead)로 표현을 하기 때문에 더 큰 분자 구조의 모사가 가능하고 이를 통하여 상분리 등의 특성 분석에 효과적이다. 본 발표에서는 이러한 다양한 전산모사 기술을 이용한 고분자 분리막의 특성 분석에 대해 소개하고자 한다.

연료전지용 고분자 전해질막에 있어서 가장 중요한 특성인 수소이온 전달 능력은 내부에서 형성되는 수화채널의 분포 및 형상에 큰 영향을 받게 된다. 비과불화탄소계인 탄화수소계 전해질막의 경우, 과불화탄소계 전해질막인 나피온에 비 하여 이러한 수화채널이 약하게 형성되는 것으로 알려져 있으며 따라서 상대적으로 낮은 이온전달 성능을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 본 연구에서는 컴퓨터를 이용한 전산모사 기술의 하나인 메조스케일 전산모사 기술을 이용하여 탄화수소계 연료전지용 전해질막인 술폰화 폴리이미드의 가습조건에서의 수화채널 형성 및 상분리 현상을 관찰하였다. 이를 통하여 술폰 화 폴리이미드 내부에서 물분자 비드는 친수성 영역 전체에 걸쳐서 고르게 분포되며 명확한 수화 클러스터는 높은 술폰화도 에서만 형성되는 것이 관찰되었다. 또한, 술폰화 폴리이미드 모델은 저가습 상태에서 수화 채널을 형성하는데에 나피온 모델 에 비하여 더 어렵다는 것이 관찰되었다. 이러한 결과들은 비과불화불소계인 탄화수소계 전해질막의 수화채널 형성에 대한 기존 이론을 명확하게 뒷받침하고 있으며, 술폰화 폴리이미드의 전도도 경향도 잘 설명을 하고 있다. 따라서 메조스케일 전산 모사 기술은 연료전지용 전해질막의 상분리 현상 및 수화채널을 분석하고 이온전도 특성을 규명하는 데에 있어서 매우 효과 적인 기술이 될 수 있다는 것을 확인하였다.

연료전지용 전해질막의 성능에 있어서 가장 중요한 요소는 수소이온이 전해질막 내부에 형성된 수화채널을 따라 서 얼마나 빨리 전달될 수 있느냐이다. 여기에는 수화채널의 모폴로지 및 수소이온의 확산도 등이 매우 중요한 요소가 되는 데, 이를 규명하기 위하여 다양한 분자동역학 전산모사 연구가 진행되고 있다. 분자동역학 계산에 있어서 각 원자의 움직임 및 상호작용을 미리 변수화 시켜 놓은 force-field는 필수 요소 중 하나로서, 본 연구에서는 이러한 force-field의 종류가 전해 질막 전산모사에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 다양한 force-field를 이용하여 연료전지용 전해질막의 수소이온 확산도를 계산하였다. 이 과정에서 non-bonding interaction을 결정하는 전하 값이 수화채널 모폴로지 형성에 매우 중요한 역할을 한다 는 것이 밝혀졌으며, COMPASS force-field가 가장 정확한 수소이온 확산도 값을 얻음으로써 연료전지용 전해질막의 전산모 사에 있어서 가장 적절한 force-field일 것으로 판단된다. 이러한 force-field의 적절한 선정은 최종 분자 구조 뿐만 아니라 수 소이온 확산도에도 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었으며, 연료전지용 전해질막 전산모사 수행 시에는 이러한 부분을 충분히 감안하여 force-field를 선택하여야 할 것이다.