분자 동역학을 활용한 반도체 소재 연구

Fri, 29 May 2026 00:00:00 +0000

프로젝트 목표

이 프로젝트에서는 유한 온도에서 반도체 소재의 거동을 이해하기 위한 분자 동역학 방법을 개발하고 있습니다. 원자 운동, 격자 진동, 포논 감쇠가 열전달, 광전자 안정성, 실제 소자 성능과 연결되는 과정을 연구하고 있습니다.

특히 페로브스카이트와 광전자 소재를 대상으로 원자 궤적과 반도체 성능을 연결하는 Hamiltonian 및 DFT 기반 시뮬레이션 워크플로를 구축하는 것이 목표입니다.

연구 배경

반도체의 거동은 정적인 밴드 구조만으로 결정되지 않습니다. 실제 소재는 온도, 변형, 빛, 계면, 결함, 구조적 무질서의 영향을 받으며, 이러한 조건은 포논 산란, 격자 비조화성, 전하 운반자 이완, 결함 이동, 계면 열전달이 일어나는 동적 원자 환경을 만듭니다. 이 과정은 반도체 소자의 성능과 안정성에 직접적인 영향을 줍니다.

분자 동역학은 시간에 따라 변하는 이러한 현상을 직접 분석할 수 있는 방법입니다. 이 프로젝트에서는 개별 물성값을 예측하는 데 그치지 않고 반도체 구조가 시간에 따라 어떻게 변화하고, 에너지를 소산하며, 열적 교란에 반응하는지를 연구하고 있습니다.

연구 방법

Hamiltonian 기반 분자 동역학

Ab Initio Molecular Dynamics: 경험적 힘장에만 의존하지 않고 DFT로 계산한 힘을 이용해 원자 운동을 시뮬레이션하고 있습니다.
Hamiltonian 모델링: 원자 배열을 에너지 지형, 힘, 동적 반응과 연결하는 전자 구조 기반 표현을 구축하고 있습니다.
Born–Oppenheimer Dynamics: 전자 바닥상태의 퍼텐셜 에너지 표면에서 원자핵의 궤적을 계산하여 유한 온도 소재를 분석하고 있습니다.
Car–Parrinello Dynamics: 효율적인 제일원리 분자 동역학을 위해 전자와 이온의 결합 전파 방법을 연구하고 있습니다.
궤적 기반 전자 구조 분석: 원자 궤적에 따른 밴드 가장자리, 국소 구조, 결합 환경, 결함 상태의 변화를 분석하고 있습니다.

포논 동역학과 감쇠

포논 수명 분석: 진동 모드가 산란하거나 에너지를 소산하기 전까지 유지되는 시간을 추정하고 있습니다.
반도체 포논 감쇠: 격자 비조화성, 결함, 무질서, 전자–포논 상호작용으로 발생하는 진동 감쇠를 연구하고 있습니다.
열전도도 모델링: 포논 수송과 열 방출을 반도체 소자의 신뢰성과 연결하여 분석하고 있습니다.
비조화 격자 동역학: 유한 온도와 구조적 불안정성에서 중요해지는 비조화 원자 운동을 모델링하고 있습니다.
고온 전하 운반자와 에너지 이완: 광전지 소재에서 격자 진동이 에너지 손실을 매개하는 과정을 연구하고 있습니다.

반도체와 페로브스카이트 소재

할라이드 페로브스카이트: 연성 격자 운동, 이온 이동, 팔면체 회전, 포논 선폭 증가, 열적 불안정성을 연구하고 있습니다.
광전자 반도체: 태양전지, LED, 광검출기, 발광 소자에 사용되는 소재를 모델링하고 있습니다.
결함 동역학: 공공, 침입형 결함, 결정립계, 국소 무질서가 열적 조건에서 변화하는 과정을 시뮬레이션하고 있습니다.
계면 안정성: 반도체 계면, 이종접합, 접촉층에서 나타나는 원자 수준의 거동을 분석하고 있습니다.
변형과 열 반응: 기계적 변형이 포논 수송과 격자 안정성에 미치는 영향을 평가하고 있습니다.

AI 가속 분자 동역학

머신러닝 원자간 포텐셜: DFT 데이터로 신경망 포텐셜을 학습하여 더 큰 시스템과 긴 시간 범위의 분자 동역학을 계산하고 있습니다.
힘장을 위한 능동학습: 시뮬레이션 과정에서 새로운 DFT 계산이 필요한 정보량 높은 원자 배열을 선택하고 있습니다.
불확실성 인식 원자 궤적: 학습된 포텐셜이 신뢰할 수 있는 범위를 벗어나는 시점을 감지하고 있습니다.
그래프 기반 원자 표현: 전이 가능한 힘과 에너지 예측을 위해 국소 원자 환경을 그래프로 표현하고 있습니다.
다중 스케일 시뮬레이션: 제일원리 계산의 정확도와 소자 수준의 길이·시간 척도를 연결하고 있습니다.

시스템 설계

제안하는 워크플로는 대표적인 반도체 구조에 대한 DFT 및 Ab Initio Molecular Dynamics 계산에서 시작합니다. 이를 통해 원자 궤적, 힘, 응력, 국소 전자 특성, 유한 온도 구조 정보를 생성합니다.

다음 단계에서는 제일원리 데이터로 머신러닝 원자간 포텐셜과 Hamiltonian 기반 모델을 학습합니다. 이 모델을 활용하여 포논 수송, 감쇠 거동, 결함 이동, 계면 변화에 필요한 더 긴 시간 범위의 분자 동역학을 수행합니다.

분석 계층에서는 포논 스펙트럼, 진동 모드 수명, 열전도도, 에너지 소산 경로, 결함 이동 장벽, 구조 안정성 지표를 추출합니다. 이를 통해 원자 수준의 동역학을 반도체 소재 설계와 연결하는 시뮬레이션 파이프라인을 구축하고 있습니다.

현재 구현 단계

현재는 반도체의 격자 동역학과 열전달을 분석하는 분자 동역학 워크플로를 구축하고 있습니다. DFT 계산, Ab Initio Molecular Dynamics, 고전 분자 동역학, 포논 분석 도구를 결합하여 유한 온도에서 반도체 시스템이 보이는 거동을 연구하고 있습니다.

단기적으로는 소재 안정성과 성능에 연성 격자 운동, 포논 감쇠, 결함 동역학, 전자–포논 상호작용이 중요한 페로브스카이트 및 광전자 소재에 집중하고 있습니다.

향후 연구 방향

향후에는 Hamiltonian 기반 및 AI 가속 분자 동역학으로 연구를 확장할 계획입니다. 반복적인 자기일관 DFT 계산보다 효율적으로 분자 동역학 궤적의 전자 구조 정보를 근사할 수 있는 학습형 DFT Hamiltonian 모델을 개발하고자 합니다.

또한 분자 동역학을 비단열 과정 및 전자–포논 결합 모델과 결합하여 반도체의 전하 운반자 이완, 고온 전하 운반자 냉각, 포논 매개 재결합을 연구할 계획입니다.

장기적으로는 온도 구배, 빛, 결함, 계면, 기계적 변형 등 실제 작동 조건에서 소재의 거동을 예측하는 반도체 동역학 플랫폼을 구축하고자 합니다. 이를 통해 안정적인 페로브스카이트, 효율적인 광전자 소재, 열적 신뢰성이 높은 반도체 소자의 설계를 지원할 계획입니다.

Density Functional Theory (DFT) | Scientific Discovery Lab