![[Materials Studio] 활용 고객 사례 소개](https://insilico-dx.com/wp-content/uploads/2025/10/001.jpg 966w, https://insilico-dx.com/wp-content/uploads/2025/10/001-300x300.jpg 300w, https://insilico-dx.com/wp-content/uploads/2025/10/001-150x150.jpg 150w, https://insilico-dx.com/wp-content/uploads/2025/10/001-768x768.jpg 768w)
안녕하세요. 인실리코 DX 사업본부입니다.
최근 분자모델링 및 시뮬레이션을 활용한 연구가 활발해지는 가운데, 저희 고객이신 연세대학교 김종학 교수님의 연구실의 사례를 소개해드리고자 합니다. 해당 연구실은 실험을 주로 진행했던 연구실이었지만, 분자모델링 및 시뮬레이션의 필요성을 느끼시고 BIOVIA Materials Stduio를 도입했으며, 단 1년 만에 논문을 출간하는 성과를 거두었습니다.
교수님은 실험만으로는 확인하기 어려운 물질 내 상호작용의 정량적 분석과 구조적 이해의 한계를 느끼고, 이를 보완하기 위해 시뮬레이션을 적극적으로 활용했습니다. 이를 통해 실험에서 얻은 물성에 영향을 미치는 각 독립 변수의 효과를 분리해 분석하고, 물질의 구조를 원자단위에서 관찰함으로써 각 요소의 기여도를 정량화하고 물성 변화의 원인을 규명할 수 있었습니다.
이 사례는 실험 중심 연구자도 복잡한 계산 지식 없이 빠르게 시뮬레이션을 익히고 실질적인 연구 성과로 이어갈 수 있음을 보여줍니다. 또한, 이를 통해 실험 데이터의 해석 정확도를 높이고, 기전적(메커니즘 기반) 이해를 제시할 수 있는 연구 기반을 마련할 수 있었습니다.
이번 글에서는 해당 사례를 간단히 살펴보고, 이러한 성과를 가능하게 한 기술적 기반을 함께 소개하고자 합니다.
BIOVIA Materials Studio란?
BIOVIA Materials Studio는 원자 수준부터 거시적 스케일까지 물질의 구조와 성질을 예측·설계할 수 있는 통합 시뮬레이션 플랫폼입니다. 이 소프트웨어는 양자역학(Quantum Mechanics), 분자동역학(Molecular Dynamics), mesoscale 시뮬레이션, QSAR(Quantitative Structure-Activity Relationship) 분석, 그리고 결정화도(Crystallinity) 예측까지 폭넓은 계산 기능을 제공합니다.
특히 분자동역학(MD) 기능은 온도·압력 조건에서 재료의 구조 안정성, 계면 상호작용, 기계적 특성을 분석해 실험으로 확인하기 어려운 거동을 예측할 수 있습니다. 이를 통해 고분자, 세라믹, 금속, 배터리 등 다양한 소재의 물리·화학적 특성을 예측하고 이해할 수 있습니다.
이번 세션에서는 두 편의 관련 논문 사례를 통해 MD 계산의 실제 활용 방법과 최적의 시뮬레이션 전략을 함께 살펴보겠습니다.
Case 1
먼저, 첫번째 논문은 에너지 소재등에 사용되는 고분자 전해질에 대한 연구입니다. (Adc. Funct. Mater. 2025, e15492)
이 논문에서는 poly vinyl alcohol(PVA)에 poly tetrafluoropropyl methacrylate(PTFP)가 grafting된 bottlebrush copolymer(PVA-g-PTFP)를 사용하였습니다. PVA-g-PTFA의 전해질로써의 성능을 검증하기 위한 수단으로, 시뮬레이션에서는 먼저 ionic liquid(IL)내 ion과 polymer 사이의 binding energy를 계산하였습니다.
결과적으로 PVA-g-PTFP 내 결합에너지가 EMIM / TFSI 이온쌍의 결합에너지보다 크기 때문에, 이온이 서로 뭉치는 대신 polymer 전해질 내에 안정적으로 용해될 수 있음을 확인했습니다. 또한, 구조적 특성상 EMIM 양이온은 PVA chain을, TFSI 음이온은 PTFP chain을 따라 확산되기 쉬운 amphiphilic 거동을 보이는 것으로 예측되었습니다.
이후 mean square displacement (MSD) 분석을 통해 grafting 비율과 이온 농도에 따른 이온 이동도 변화를 평가하였으며, PVA에 비해 PVA-g-PTFP 구조(PVA-g-PTFP3/IL-4; 녹색선)의 이온 이동도가 더 크게 계산되었습니다.
이 결과는 fractional free volume (FFV) 값 증가로 뒷받침되며, PVA (0.107) 대비 PVA-g-PTFP (0.134)에서 약 30 %의 공간 확장이 관찰되었습니다. 즉, 이온 이동 경로 선호도(EMIM–PVA, TFSI–PTFP)뿐 아니라, 이온이 이동할 수 있는 물리적 자유 공간 증가가 이동도 향상에 기여함을 확인할 수 있습니다.
Case 2
시뮬레이션 분석에서는 Polyactive 함량 변화에 따른 FFV(fractional free volume)를 계산하였으며, 25 % 조성에서 FFV가 가장 높게 나타나 기체의 확산 경로 확보에 기여함을 확인했습니다. 또한, PGP-POEM/Polyactive 시스템의 non-bond energy 분석을 통해 구조적 안정성도 함께 평가하였습니다.
마지막으로 투과도(permeability)는 확산도(diffusivity)와 용해도(solubility)의 곱으로 정의됩니다.
각 값을 별도로 계산한 결과, Polyactive 함량 변화에 따라 CO₂와 N₂의 확산도 및 용해도가 상반된 경향을 보였으며, 이에 따라 해당 시스템의 총 투과도에는 용해도가 지배적인 요인으로 작용한다는 결론에 도달하였습니다.
이러한 연구 사례들은 시뮬레이션이 단순한 계산을 넘어, 실험과 함께 연구의 핵심 근거로 활용될 수 있음을 보여줍니다. 분자동역학(MD)와 양자역학(QM) 기반 계산으로 얻은 구조적·동역학적 특성은 실제 실험 데이터를 해석하거나 새로운 소재 설계 방향을 제시하는 데 중요한 역할을 합니다. 특히 GUI(그래픽 사용자 인터페이스) 기반의 Materials Studio를 활용하면 복잡한 계산 과정도 직관적이고 효율적으로 수행할 수 있으며, 이번에 소개한 사례와 같은 시뮬레이션 데이터를 직접 도출할 수 있습니다.
무엇보다도, 계산화학에 익숙하지 않은 연구자라도 인실리코의 체계적인 교육과 기술 지원을 통해 빠르게 습득하고, 짧은 시간 안에 훌륭한 연구 성과를 만들어 낼 수 있습니다.
“실험에서 계산으로, 상상에서 현실로”
이제 누구나 시뮬레이션을 통해 새로운 연구 가능성을 열 수 있습니다.
BIOVIA Materials Studio에 관심이 있으시거나, 직접 사용해 보고 싶으신 분들은 인실리코 DX 사업본부로 편하게 연락 주세요. 앞으로도 연구자분들의 성장을 돕는 유익한 콘텐츠로 찾아 뵙겠습니다. 감사합니다!
논문에 활용된 모듈
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