태양전지 소재 개발에 불어 닥친 빅데이터 바람




미국 하버드대학(Harvard University) 알란 아스푸르-구직(Alan Aspuru-Guzik) 연구진이 신약개발 과정에 활용되고 있는 가상탐색(virtual screening)기법을 유기태양전지(organic solar cell) 소재 개발에 도입해 잠재력이 높은 후보물질을 도출한 연구 결과를 공개했다.


본 프로젝트는 컴퓨터를 이용한 이론적 계산을 통해 유기태양전지에 소재로 사용될 만한 물질을 도출함으로써 소재 개발에 필요한 비용과 시간을 절감할 목적으로 진행되었다. 이 프로젝트의 성과는 화학정보학(Chemical informatics)을 기반으로 빅데이터 분석을 통해 고효율 약물을 찾아내는 가상탐색기술이 소재 분야 연구에도 혁신적 도구로 활용될 수 있음을 입증했다.

본 프로젝트에서 눈에 띄는 점 중 하나는 IBM의 후원으로 구축된 `월드 커뮤니티 그리드(World Community Grid; WCG)` 라는 슈퍼컴퓨팅 플랫폼에서 도출된 결과라는 점이다. 일반적으로 이론적 연구는 강력한 컴퓨팅 파워에 크게 의존하기 마련이다. 이번 경우처럼 엄청난 양의 `빅데이터`를 다뤄야 하는 경우라면 더욱 그렇다. 때문에 슈퍼컴퓨터를 사용하기 마련인데, 본 프로젝트는 단일 슈퍼컴퓨터를 이용해 이루어진 것이 아니라 자발적 참여로 수천 대의 PC를 연결해서 구축한 망이 이용되었다.

WCG는 인류 공영에 이바지하기 위한 세계에서 가장 큰 그리드 컴퓨팅을 목적으로 하는 프로젝트이다. IBM의 후원을 받아 2004년 11월 16일에 시작하였으며 윈도, 맥 OS X, 리눅스를 지원하며, 주로 난치병의 치료나 유전자 분석, 농작물 개선, 청정에너지에 대한 프로젝트를 진행하고 있다. 2013년 11월 11일 현재 460개의 기업과 기관이 후원하고 있으며, 63만여 사용자가 참여하고 있고, 이 망에 연결된 PC 수만해도 244만여 대에 이른다.

현재 태양전지에 사용되고 있는 소재들은 대부분 값비싼 무기계이다. 유기계는 저가 대체 소재로서 많은 잠재력을 가지고 있는 것이 사실이다. 때문에 많은 과학자들이 유기계 재료에 효율을 높일 수 있는 방법을 찾기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만 유기계를 태양전지에 적용하고 소재의 물성을 개선하려면 그 소재로 태양전지를 제작하고 성능을 확인하는 검증 작업을 반드시 거쳐야 하기 때문에 시간과 비용이 많이 투입되어야 한다.

아스푸르-구직이 이끄는 하버드 청정에너지 프로젝트(The Harvard Clean Energy Project; CEP) 팀은 컴퓨터의 예측력을 활용해 소재 개발 기간을 단축하고자 했다. 이번 프로젝트에 사용된 기법은 현대적인 약물탐색 과정에 광범위하게 활용되고 있는 가상탐색기법을 유기태양전지 소재 개발에 적합하도록 변형한 것이다.

약물탐색에선 신약후보물질을 찾을 때 약물표적으로 쓰이는 단백질이나 효소로 화학물질의 생물학적 활성을 확인하는 대신 컴퓨터 모델을 사용한 이론적 계산을 통해 약물후보 물질과 약물표적 사이의 상호작용을 예측한다. 이렇게 해면 가능성이 높은 물질만 선별해서 활성을 직접 확인하면 되기 때문에 시간과 비용을 절약할 수 있게 되는 것이다. 연구진은 이와 같은 원리를 적용해 태양전지 소재로서 잠재력이 높은 물질을 가상탐색기법으로 도출했다.

가상탐색을 위해 연구진은 전문적으로 유기태양전지 소재 개발에 주력하고 있는 연구팀들의 조언을 받아서 합성 가능성을 고려하여 26 종의 기본 단위구조를 선정했다. 기본 단위구조를 최대 5개까지 연결해서 조합 가능한 화합물 구조를 도출한 결과 230만 개의 화합물 구조를 도출해 DB를 구축했다. DB에 수록된 화합물에 물성은 샤버 모델(Scharber Model)을 이용해서 이론적 계산을 수행해 예측했다. 샤버 모델은 화합물에 전기적 성질 예측에 사용하는 모델이다.

아스푸르-구직 팀은 이와 같은 과정을 거쳐 가장 우수한 물성을 나타낼 것으로 예상되는 후보물질을 선별해냈다. 이 중에는 아직 연구된 바는 없지만 전문가들 사이에서 이미 많은 관심을 받고 있는 화합물들도 다수 포함되어 있었다. 연구진은 이번 프로젝트에서 400테라바이트에 달하는 데이터를 생성했고, 현재 청정에너지 데이터베이스(Clean Energy Project Database)를 수록해서 대중에게 공개했다.

유기태양전지 소재를 개발하는 연구자에게 있어 아스푸르-구직 팀이 만들어낸 화합물 라이브러리는 ‘보물 상자‘ 같은 존재일지 모른다. 이상의 연구 성과는 영국화학회(Royal Society of Chemistry)가 발행하는 ’에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)'저널에 투고되어 공개되었다.

(Lead candidates for high-performance organic photovoltaics from high-throughput quantum chemistry - the Harvard Clean Energy Project. J Hachmann et al, Energy Environ. Sci., 2013, DOI: 10.1039/c3ee42756k)


출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/11/big-data-solar-cells



http://www.jeongeum.co.kr



      비즈니스 정보실  |  2013.11.20 16:59



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