KR101606092B1 - Method for quantitative and comparative analysis of distributions of homo-lumo molecular orbitals and system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 a) 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 각각 계산하는 단계: b) 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 a)단계에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 단계를 포함하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법 및 이를 이용한 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method for quantitatively determining the molecular orbital of a molecular orbital by selecting a molecular orbital of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare the molecular orbital distribution, B) Calculating the structural properties of the HOMO and LUMO through a RDM (radially discrete mesh) calculation method, and then calculating the molecular orbital distribution of the HOMO and LUMO calculated in the step a) To obtain a molecular orbital distribution according to a structural characteristic; And c) comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained in the step b) by using a profile method, and a method for quantitative comparison and analysis of molecular orbital distribution between HOMO and LUMO And a quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution among HOMO-LUMO using the same.
Description
본 발명은 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 정량적으로 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 (molecular orbital) 분포를 비교할 수 있는 새로운 분석방법을 이용한 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a quantitative comparative analysis method of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO and a system using the same. More specifically, the present invention relates to a molecular orbital distribution method using a new analytical method capable of quantitatively comparing molecular orbital distribution between HOMO- And a system using the same.
물질 고유의 전기화학적 특성은 전자의 이동 및 분포 특성에 큰 영향을 받기 때문에 분자 내에서 전자의 거동을 모사하는 것은 물질 개발에 매우 중요하다. 전자의 거동은 분자 내 특정 지점에서 전자가 존재할 확률로서 나타낼 수 있는데, 이와 같은 전자의 거동을 모사하기 위해서 도입된 개념이 바로 분자 오비탈(molecular orbital)이다. 분자 구조 내의 특정 위치에서 확률적인 개념으로 전자의 분포를 나타내는 분자 오비탈은 실험적으로 구할 수 없고 양자역학적 방법을 이용한 슈뢰딩거 방정식(Schrodinger equation)을 계산하여 구할 수 있다.Since the intrinsic electrochemical properties of a material are greatly influenced by the movement and distribution characteristics of electrons, simulating the behavior of electrons in a molecule is very important for material development. The behavior of electrons can be expressed as the probability that electrons exist at specific points in the molecule. The concept introduced to simulate the behavior of such electrons is the molecular orbital. Molecular orbitals representing the distribution of electrons in a stochastic concept at a specific position in a molecular structure can not be obtained experimentally and can be obtained by calculating the Schrodinger equation using a quantum mechanical method.
현재까지 양자역학으로 계산된 분자의 분자 오비탈 분포는 등고선 플롯(contour plot)을 통한 3차원이나 2차원 그림을 생성해 시각적으로 비교하는, 예를 들어 “Analysis of Electron Delocalization in Aromatic Systems: Individual Molecular Orbital Contributions to Para-Delocalization Indexes (PDI)”에서와 같은 정성적인 방법(qualitative measurement)으로 평가하고 있다. 예를 들어 도 1은 OLED의 박막으로 사용되는 NPB (N,N’-Di[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-1,1’-(biphenyl)-4,4’-diamine)의 Neutral/HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 의 분자 오비탈 분포를 나타낸 것이다. 도 1을 그리기 위해서 분자 오비탈 시각화 프로그램인 MATERIAL STUDIO의 프로그램인 visualizer를 사용하였다. 분자 오비탈 분포가 되어 있는 영역(노란색/녹색으로 표시된 영역)에만 전자가 위치할 확률이 있는 것으로, 도 1의 경우에는 전반적으로 분자 오비탈이 전체 분자 구조 내에 고르게 분포되어 있는 것을 알 수 있다.The molecular orbital distribution of molecules computed in quantum mechanics to date can be used to generate three-dimensional or two-dimensional images through contour plots and visually compare them, for example, "Analysis of Electron Delocalization in Aromatic Systems: Individual Molecular Orbital Contributions to Para-Delocalization Indexes (PDI) ". For example, FIG. 1 shows a schematic view of an organic light emitting diode (OLED), which is a thin film of NPB (N, N'-Di [(1-naphthyl) -N, N'- ) Of Neutral / HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital). 1, a visualizer, a program of MATERIAL STUDIO, a molecular orbital visualization program, was used. In the case of FIG. 1, it can be seen that the molecular orbital is uniformly distributed throughout the entire molecular structure, because there is a probability that the electrons are located only in the region where the molecular orbital distribution (indicated by yellow / green).
하지만, 상기의 경우에서 알 수 있듯이 시각화를 통한 정성적 확인만으로는 동일한 분자 오비탈 분포에 대해서도 해석하는 기준에 따라 평가가 달라질 수 있어 정확하게 비교하기 어렵다. 예를 들어 위의 경우에서도 (1) 분자 오비탈이 전반적으로 분자 전체에 잘 분포하고 있기 때문에, “분자 오비탈이 잘 분포한다”라고 평가할 수 있지만, (2) 양 끝의 Naphthalene에서 분포가 잘 되지 않기 때문에 “분자 오비탈이 적당히 분포하고 있다.”와 같이 서로 다른 평가 결과가 나올 수 있다. 이러한 정성적인 비교 방법이 가지는 문제점은 위의 예와 같이 1개의 물질에 대한 분자 오비탈 분포 평가의 경우보다 2개의 분자 오비탈 분포를 서로 비교해야 할 경우 더 크게 부각된다. 즉 물질 개발에서는 분자 오비탈 A의 분포가 분자 오비탈 B의 분포와 서로 어느 정도 유사한지를 평가해서 전기화학적 물성 평가를 해야 하는 경우가 많은데, 이 경우 시각을 통한 정성적 비교는 기준에 따라 평가 결과가 크게 달라질 수 있기 때문에, 1개의 분자 오비탈을 평가하는 것보다 더 부정확하다. 이와 같은 문제점은 정성적인 방법을 통한 분자 오비탈 분포 비교에만 발생하는 것이 아니라 모든 정성적인 비교 방법이 가지는 가장 근본적인 한계점 중 하나이다. 현재까지 정성적인 비교만 가능한 분자 오비탈 분포를 효과적으로 정확하고 신뢰성 있게 비교할 수 있는 방법이 있다면, 물질 개발에서 전자 친화도(electron affinity) 등과 같은 전자의 이동으로 인해 결정되는 기본 물성과 더불어 분자 오비탈 분포를 더 효과적으로 이용할 수 있다.However, as can be seen from the above case, it is difficult to accurately compare the molecular orbital distribution of the same molecular orbital distribution only by qualitative confirmation through visualization because the evaluation may vary according to the interpretation standard. For example, even in the above case, (1) the molecular orbital is distributed throughout the molecule as a whole, it can be evaluated as "the molecular orbital is well distributed", (2) the distribution is not well distributed at both ends of the naphthalene As a result, different evaluation results such as " molecular orbitals are appropriately distributed. &Quot; The problem with this qualitative comparison method is that, as in the above example, when two orbital distributions of two orbital are compared with each other, it is more remarkable than in the case of molecular orbital distribution evaluation for one substance. In other words, in material development, the distribution of molecular orbital A is similar to the distribution of molecular orbital B, and it is often necessary to evaluate electrochemical properties. In this case, Since it can be different, it is more imprecise than evaluating one molecule orbital. This problem does not occur only in comparison of molecular orbital distribution through qualitative methods, but it is one of the most fundamental limitations of all qualitative comparison methods. If there is a method that can accurately and reliably compare the molecular orbital distribution that can only be qualitatively comparable to the present one, it is necessary to make a molecular orbital distribution with the basic physical properties determined by the electron transfer such as electron affinity in the material development It can be used more effectively.
이러한 분자 오비탈 분포의 비교는 동일 물질의 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)와 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 의 2개의 분자 오비탈의 차이에서 더욱 중요한 의미를 갖는다. 상기 HOMO와 LUMO는 물질의 전기 전도성과 같은 전기화학적 특성에 큰 영향을 주는 것으로서, 도 2에 나타냈듯이 HOMO는 전자가 결합에 참여할 수 있는 가장 높은 에너지를 가지는 분자 오비탈이고, LUMO는 전자의 비결합 영역에서 가장 에너지가 낮을 때의 분자 오비탈을 나타낸다. 이러한 HOMO와 LUMO 사이에 발생하는 차이를 HOMO-LUMO-gap이라 한다. 종래에는 HOMO와 LUMO에서는 전자 상태 차이로 인해 에너지 차이가 발생하기 때문에 HOMO-LUMO-gap을 두 상태의 에너지 차이와 동일하다고 가정하여, HOMO-LUMO-gap과 HOMO-LUMO-energy-gap을 동일한 의미로 사용하였지만, 본 발명에서는 이러한 개념을 구분하여 사용하였다. 즉 HOMO-LUMO-gap은 HOMO와 LUMO 사이에서 나타나는 차이를 나타내고 그 차이 중 하나인 에너지 차이를 HOMO-LUMO-energy-gap으로 하였다. 예를 들어 도 2 에서도 CASE1은 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 차이가 크기 때문에 HOMO-LUMO-energy-gap이 작은 것을 나타내고 CASE2는 HOMO-LUMO-energy-gap이 상대적으로 크다. 이러한 HOMO-LUMO-energy-gap의 크기에 따라 전기 전도성과 같은 전기화학적 특성이 크게 달라지기 때문에 물성 평가에 많이 이용되고 있다.This comparison of molecular orbital distribution is of more significance in the difference between the two molecular orbits of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) of the same material. The HOMO and LUMO have a great influence on the electrochemical properties such as the electrical conductivity of the material. As shown in FIG. 2, the HOMO is a molecular orbital having the highest energy at which electrons can participate in binding, and LUMO is a ratio Represents the molecular orbital at the lowest energy in the binding region. The difference between the HOMO and the LUMO is called the HOMO-LUMO-gap. HOMO-LUMO-gap and HOMO-LUMO-energy-gap have the same meanings as HOMO-LUMO-gap and HOMO-LUMO-energy However, in the present invention, these concepts are used separately. That is, the HOMO-LUMO-gap shows the difference between HOMO and LUMO, and the energy difference, HOMO-LUMO-energy-gap, is one of the differences. For example, in FIG. 2, CASE1 indicates that the HOMO-LUMO-energy-gap is small because the energy difference between HOMO and LUMO is large, and HOMO-LUMO-energy-gap is relatively large in CASE2. Since the electrochemical properties such as electrical conductivity greatly vary depending on the size of the HOMO-LUMO-energy-gap, it is widely used for evaluation of physical properties.
도 3에서는, NPB 분자의 2가지 서로 다른 전하 상태에 따른 HOMO-LUMO-gap 상황에 대해 나타냈다. 도 3 (a)의 경우는 전체 전하가 -1인 음이온 (Anion)인 경우의 HOMO-LUMO-gap을 나타내고, 도 3 (b)의 경우는 전체 전하가 +1인 양이온 (Cation)인 경우의 HOMO-LUMO-gap을 나타낸다. HOMO와 LUMO의 분자 오비탈 분포와 에너지는 양자역학에 근간을 둔 모든 방법을 이용해서 계산할 수 있다. 두 경우 (a)와 (b)에서 HOMO-LUMO-gap의 에너지 차이는 각각 0.1 eV와 0.2 eV로 에너지 차이로만 HOMO-LUMO-gap을 평가할 경우 (a)와 (b)는 거의 동일하다. 하지만 자세히 살펴보면 HOMO-LUMO-gap은 에너지 차이만 있는 것이 아니라는 것을 알 수 있다. 즉, HOMO-LUMO-gap은 전자 상태가 다르기 때문에 발생하는 에너지 차이뿐 아니라 분자 오비탈 분포 차이도 존재한다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 분자 오비탈 분포는 두 경우가 서로 다른데 (a)의 경우는 분자 오비탈 분포가 양 끝의 Naphthalene에만 분포된 HOMO와 양 끝의 Naphthalene과 중앙의 Bi-phenyl에도 분자 오비탈이 분포하는 LUMO 사이의 분자 오비탈 분포 차이가 있지만 (b)의 경우는 HOMO와 LUMO 모두 분자 오비탈이 분자 전체에 고르게 퍼져있어 분포 차이가 거의 없다. 이와 같은 HOMO와 LUMO사이의 분자 오비탈 분포 차이 (HOMO-LUMO-Molecular Orbital-gap)에 따라 HOMO와 LUMO 사이의 전자 이동 특성이 달라질 수 있기 때문에 이러한 차이는 HOMO-LUMO-energy-gap과 더불어 전기 전도성과 같은 전기화학적 특성에 영향을 줄 수 있다. 이와 같이 HOMO-LUMO-gap은 기존부터 고려되던 에너지 차이뿐 아니라 분자 오비탈 분포 차이도 있다는 것을 확인했고 HOMO-LUMO-gap을 보다 포괄적으로 정확하게 평가하기 위해서는 이러한 분자 오비탈 분포 차이도 정확하게 비교해야 할 필요성이 있으며, 분자 오비탈 분포 차이를 HOMO-LUMO-gap 평가에 반영할 수 있다면 기존의 에너지 차이와 더불어 보다 완전하게 HOMO-LUMO-gap을 평가할 수 있어 물질의 전기화학적 특성 평가에 그 유용성이 클 것으로 기대된다. In FIG. 3, the HOMO-LUMO-gap situation according to two different charge states of NPB molecules is shown. 3 (a) shows the HOMO-LUMO-gap when the total charge is -1, and FIG. 3 (b) shows the HOMO-LUMO-gap when the total charge is +1 HOMO-LUMO-gap. The molecular orbital distribution and energy of HOMO and LUMO can be calculated using all methods based on quantum mechanics. In both cases (a) and (b), the energy differences of the HOMO-LUMO-gap are almost the same for (a) and (b) when the HOMO-LUMO-gap is evaluated only at energy differences of 0.1 eV and 0.2 eV, respectively. However, if we look closely, we can see that the HOMO-LUMO-gap is not the only energy difference. In other words, the HOMO-LUMO-gap has different molecular orbital distribution as well as the energy difference due to the different electron states. In the case of (a), the molecular orbital distribution is composed of the HOMO distributed only at the naphthalene on both ends, the naphthalene on both ends, and the molecule between LUMO in which the central orbital orbital is distributed In the case of (b), there is almost no difference in the distribution of orbital in both HOMO and LUMO because the molecular orbitals are spread evenly throughout the molecule. Since the electron mobility between HOMO and LUMO can be changed by the HOMO-LUMO-Molecular Orbital-gap (HOMO-LUMO-energy-gap) between HOMO and LUMO, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI > Thus, the HOMO-LUMO-gap was found to have a difference in molecular orbital distribution as well as the previously considered energy difference. In order to more accurately and accurately evaluate the HOMO-LUMO-gap, it is necessary to accurately compare the molecular orbital distribution differences If the difference of molecular orbital distribution can be reflected in the HOMO-LUMO-gap evaluation, the HOMO-LUMO-gap can be evaluated more fully with the existing energy difference, which is expected to be useful for the electrochemical characterization of the material .
이와 관련하여 종래에는, 예를 들어 일본 공개특허 2011-173821호의 경우, 프런티어궤도 이외의 반응성 분자궤도를 고려한 양자학적 계산에 근거해 산출된 분자의 반응성 지표를 이용한 새로운 화학물질의 활성도 예측 방법에 대하여 개시하고 있으나, 이러한 방법으로는 분자 오비탈 분포 차이를 정확하게 정량적으로 비교할 수 있는 방법이 없었기 때문에 HOMO-LUMO-gap의 평가에 분자 오비탈 분포 차이를 이용하지 못한다는 문제점이 있었다.In the related art, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-173821, a method of predicting the activity of a new chemical substance using the reactivity index of a molecule calculated based on quantum computation considering reactive molecular orbits other than the frontier orbit However, since there is no method to accurately and quantitatively compare the molecular orbital distribution difference in this method, there is a problem in that the difference of the molecular orbital distribution can not be used in the evaluation of the HOMO-LUMO-gap.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art,
분자 오비탈 분포 차이를 정량적으로 비교할 수 있는 방법인 MOD-Dscore (Molecular Orbital Distribution-Deviation Score) 및 DB-G score (Distribution Based-Gap score)를 개발하여 분자 오비탈 분포 차이를 정량적인 값(score)로 나타내어, 양자역학에 근거한 방법을 통하여 계산된 분자 오비탈 분포에 대하여 체계적으로 정량적인 비교를 할 수 있을 뿐 아니라, 물질의 전기화학적 특성에 큰 영향을 주는 HOMO-LUMO-gap을 에너지 차이 (energy gap)와 분자 오비탈 차이 (DB-G score)로 광범위하게 비교 평가하여 기존의 에너지 차이와 더불어 보다 완전하게 HOMO-LUMO-gap을 평가하여 신규 물질의 개발에 이용하는 것을 그 목적으로 한다.We have developed MOD-Dscore (Molecular Orbital Distribution-Deviation Score) and DB-G score (Distribution Based-Gap Score) which can quantitatively compare the molecular orbital distribution differences and quantify the molecular orbital distribution difference as a quantitative score The HOMO-LUMO-gap, which has a large effect on the electrochemical properties of the material, can be quantitatively compared with the molecular orbital distribution calculated through the quantum mechanics-based method, And the molecular orbital difference (DB-G score), and to evaluate the HOMO-LUMO-gap more fully with the existing energy difference and to use it in the development of new materials.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
a) 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 각각 계산하는 단계: b) 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 a)단계에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 단계를 포함하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법을 제공한다.
a) molecular orbitals of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare the molecular orbital distribution are selected and their molecular orbital distribution is determined by quantum mechanical calculation B) calculating structural characteristics of the HOMO and LUMO through a RDM (radially discrete mesh) calculation method, and then matching the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO calculated in the step a) Obtaining a molecular orbital distribution according to a structural characteristic; And c) comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained in the step b) using a profile method, wherein the molecular orbital distribution is a quantitative comparison analysis method of molecular orbital distribution between HOMO and LUMO to provide.
또한, 본 발명은 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 각각 계산하여 데이터를 입력하는 데이터 입력 모듈: 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 데이터 입력 모듈에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 분자 구조 결정 모듈; 및 상기 분자 구조 결정 모듈에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 비교 모듈을 포함하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템을 제공한다.The present invention also relates to a method for quantitatively determining the molecular orbital of a molecular orbital by selecting a molecular orbital of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) A data input module for calculating the distribution and inputting the data, wherein the HOMO and the LUMO are calculated by a RDM (radially discrete mesh) calculation method, and then the HOMO and LUMO molecular orbital calculated by the data input module molecular orbital) distribution to obtain a molecular orbital distribution according to a structural characteristic; And a comparison module for comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained by the molecular structure determination module using a profile method, and a quantitative comparison analysis system of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO to provide.
본 발명에 따른 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법에 의하면, MOD-Dscore(Molecular Orbital Distribution-Deviation Score)를 이용한 프로파일 방법을 통하여, 분자 오비탈 분포 차이를 정량적인 값(score)로 나타냄으로써, 양자역학에 근거한 방법을 통하여 계산된 분자 오비탈 분포에 대하여 체계적으로 정량적인 비교를 할 수 있다는 장점이 있으며, 이를 통하여 신규 물질의 개발에 응용할 수 있다는 효과가 있다.According to the quantitative comparative analysis method of the molecular orbital distribution according to the present invention, the quantitative value (score) of the molecular orbital distribution difference is shown through the profile method using MOD-Dscore (Molecular Orbital Distribution-Deviation Score) , It is possible to systematically and quantitatively compare the molecular orbital distribution calculated by the method based on the above method.
도 1은 NPB 분자의 구조 및 분자 오비탈 분포를 나타낸 그림이다.
도 2는 HOMO-LUMO energy gap 을 나타낸 그림이다.
도 3은 HOMO-LUMO energy gap과 HOMO-LUMO-분자 오비탈 분포의 gap을 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 RDM 계산방법을 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 1과 실시예 2에서 비교한 HOMO-LUMO energy gap에 따른 분자 오비탈 분포를 나타낸 그림이다.FIG. 1 is a diagram showing the structure and molecular orbital distribution of NPB molecules. FIG.
FIG. 2 shows the HOMO-LUMO energy gap. FIG.
FIG. 3 shows the gap between the HOMO-LUMO energy gap and the HOMO-LUMO-molecular orbital distribution.
4 is a diagram illustrating an RDM calculation method according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing molecular orbital distribution according to the HOMO-LUMO energy gap in Example 1 and Example 2 according to the present invention. FIG.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법은 a) 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 각각 계산하는 단계: b) 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 a)단계에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A quantitative comparative analysis method of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO according to the present invention is performed by a) selecting molecular orbitals of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare molecular orbital distribution, Calculating the molecular orbital distribution of each of the molecular orbital distributions using a quantum mechanical calculation method; b) calculating a structural characteristic of the HOMO and the LUMO by a RDM (radially discrete mesh) calculation method, Matching the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO calculated in step (a) to obtain a molecular orbital distribution according to a structural characteristic; And c) comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained in the step b) using a profile method.
본 발명자는 상기 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법을 “DB-G score (Distribution Based-Gap score)”법이라고 명명하였다. 상기 DB-G score 법은 양자역학에 근거한 방법을 통하여 계산된 분자 오비탈 분포에 대하여 체계적으로 정량적인 비교를 할 수 있을 뿐 아니라, 물질의 전기화학적 특성에 큰 영향을 주는 HOMO-LUMO-gap을 에너지 차이 (energy gap)와 분자 오비탈 차이 (DB-G score)로 광범위하게 비교 평가하여 기존의 에너지 차이와 더불어 보다 완전하게 HOMO-LUMO-gap을 평가하여 신규 물질의 개발에 이용할 수 있는 방법이다. 이하 DB-G score 법을 자세히 설명한다.
The present inventor named the quantitative comparative analysis method of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO as "DB-G score ( D istribution B ased- G ap score )" method. The DB-G score method can quantitatively compare the molecular orbital distribution calculated through the quantum mechanics-based method, as well as the HOMO-LUMO-gap, which greatly affects the electrochemical properties of the material, It is a method that can be used to develop new materials by evaluating HOMO-LUMO-gap more fully with existing energy difference by comparing and evaluating widely by energy gap and molecular orbital difference (DB-G score). Hereinafter, the DB-G score method will be described in detail.
본 발명은, 상기 a) 단계에서 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 각각 계산하는 것을 특징으로 한다. 분자 오비탈은 분자 내에서의 전자의 파동적(wave-like) 거동을 나타내는 수학적인 모사로 정의할 수 있다. 본 발명에 있어서, 분자 오비탈 분포를 비교하려는 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈은 1개의 분자에 대한 2가지 전자 상태에 대한 것이 될 수도 있다(예를 들면, 동일한 분자에 대한 Neutral/HOMO와 Neutral/LUMO). 상기와 같이 분자 오비탈 분포의 비교를 위한 HOMO와 LUMO의 분자 오비탈을 정하고 나서 각각에 대한 양자역학 계산을 통해 분자 오비탈 분포를 구한다. 분자 오비탈 분포를 구하기 위한 양자역학적 계산은, 양자역학을 이용한 방법이라면 특별한 제한은 없으나, 바람직하게는 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 사용할 수 있고, 단일지점 에너지（single point energy） 계산 또는 기하학적 최적화 （geometry optimization） 계산을 이용할 수도 있다. 구체적으로, 본 발명의 발명자들은 DFT (Density Functional Theory) 에 근간을 둔 ACCELRYS 사에서 개발한 MATERIAL STUDIO의 DMol3를 이용하여 분자 오비탈의 분포를 계산하였다.
In the present invention, molecular orbitals of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) are selected to compare the molecular orbital distribution in the step a), and then molecular orbitals of these molecular orbital (molecular orbital) distribution of each of the cells. Molecular orbitals can be defined as mathematical simulations that show the wave-like behavior of electrons in a molecule. In the present invention, the molecular orbital of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare the molecular orbital distribution may be for two electron states for one molecule (for example, Neutral / HOMO and Neutral / LUMO for the same molecule). As described above, molecular orbitals of HOMO and LUMO for comparison of molecular orbital distribution are determined, and molecular orbital distribution is obtained through quantum mechanical calculation for each. The quantum mechanical calculation for obtaining the molecular orbital distribution is not particularly limited as long as it is a method using quantum mechanics, but it is preferable that the electron orbit, which is the square of the orbital wave function (?) At each point calculated in the molecular structure of the substance, The calculation through the distribution of the density (? 2 ) can be used, and single point energy calculation or geometry optimization calculation can be used. Specifically, the inventors of the present invention calculated the distribution of molecular orbital using DMol3 of MATERIAL STUDIO developed by ACCELRYS, which is based on DFT (Density Functional Theory).
본 발명은, 상기 b) 단계에서 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 a)단계에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 것을 특징으로 한다. The present invention is characterized in that, in step b), the HOMO and LUMO are calculated by a RDM (radially discrete mesh) calculation method, and then the molecular orbital distribution of the HOMO and LUMO calculated in the step a) To obtain a molecular orbital distribution according to a structural characteristic.
상기 구조 특성 계산은 (x，y，z)의 원자 좌표 (atomic coordinates)를 이용하여 계산할 수 있으며, 이와 같은 정보를 구조 특성 계산을 통해 계산된 분자 오비탈 분포와 연결시켜야 한다. 상기와 같은 구조 특성화 계산 과정이 필요한 이유는 분자 구조의 좌표 (coordinates) 정보를 그대로 사용하면 분자 오비탈 분포는 그냥 분자 전체에 산개되어 있는 데이터 일 뿐, 아무런 정보를 주지 못하기 때문이다. 따라서, 주어진 분자 구조에 대한 특성화 계산은 분자 내 중심으로부터 출발하는 RDM (radially discrete mesh)을 구성한 후, 각 RDM에 속해 있는 영역을 구함으로써, 분자 구조 전체에 대한 RDM을 계산한다. 상기 RDM은 분자의 중심으로부터 출발해서 방사 방향 (radial direction)으로 일정한 간격을 가지고 증가하는 메쉬 (mesh)를 나타낸다. 상기 RDM에 의한 분자 구조 계산에 있어서, 분자의 중심 (xc, yc, zc)을 구하는 방법은 다음의 식 1-1 내지 1-3과 같다.The structural property calculation can be performed using the atomic coordinates of (x, y, z), and such information should be linked to the molecular orbital distribution calculated through the structural property calculation. The reason why the above-described structural characterization calculation process is required is that if the coordinates information of the molecular structure is used as it is, the molecular orbital distribution is merely data scattered throughout the molecule, and gives no information. Therefore, the characterization calculation for a given molecular structure computes the RDM for the entire molecular structure by constructing a RDM (radially discrete mesh) starting from the center of the molecule and then determining the region belonging to each RDM. The RDM represents a mesh that starts at the center of the molecule and increases in a radial direction with constant spacing. In the calculation of the molecular structure by RDM, the method of obtaining the center of the molecule (x c , y c , z c ) is as shown in the following formulas 1-1 to 1-3.
(식 1-1)(Expression 1-1)
(식 1-2) (1-2)
(식 1-3) (Equation 1-3)
상기 식 1-1 내지 1-3에서 NAT는 분자를 구성하는 원자 좌표의 총 개수를 나타낸다.In Equations 1-1 through 1-3, N AT represents the total number of atomic coordinates constituting the molecule.
상기와 같이 구성된 RDM 방법을 사용함으로써, 분자 구조를 세분화 하여 이를 분자 오비탈 분포와 매칭시킨다. By using the RDM method thus constructed, the molecular structure is subdivided and matched with the molecular orbital distribution.
RDM 계산은 도 4를 통하여 더욱 구체적으로 알 수 있는데, 분자 구조의 원자들이 모두 포함될 때까지 RDM (1), RDM (2), …, RDM (n)으로 증가하며, 여기서 RDM(1)은 분자 중심에 가장 가까운 RDM이고, RDM(n)은 모든 분자가 포함된 분자 중심에서 가장 외곽에 있는 RDM이다. 상기 RDM 계산에 있어서, RDM의 총 개수인 n 값은 비교 대상인 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈에 대해서 동일하게 설정하며, 상기 n 값은 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 50 내지 300의 범위를 갖고, 더욱 바람직하게는 100 내지 300의 범위를 갖는다. 이렇게 계산된 RDM에 대하여 각 RDM에 포함되는 분자 오비탈 분포를 계산한다. 이를 통해 분자 구조에 대해서 계산된 분자 오비탈 정보를 총 n 개의 RDM으로 변환된 구조 특성에 대한 분자 오비탈 정보로 매칭(matching) 시킨다. 상기에서 구해진 RDM 정보를 이용하여 후술할 c) 단계에서 그래프 기반의 프로파일(graph-based profile) 계산에 이용한다.
The RDM calculation is more specifically shown in FIG. 4, where RDM (1), RDM (2),... , RDM (n), where RDM (1) is the nearest RDM to the center of the molecule and RDM (n) is the outermost RDM at the center of the molecule containing all the molecules. In the RDM calculation, the total number n of the RDMs is set to be the same for the molecular orbitals of HOMO and LUMO to be compared. The value of n is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 to 300, Lt; RTI ID = 0.0 > 100 < / RTI > Calculate the molecular orbital distribution in each RDM for this calculated RDM. Thereby matching the molecular orbital information calculated for the molecular structure to the molecular orbital information for the structural properties converted to a total of n RDMs. The RDM information obtained above is used to calculate a graph-based profile in step c) described later.
본 발명은, 상기 b) 단계에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained in the step b) is compared using a profile method.
본 발명은 상기 b) 단계에서 계산된 각각의 RDM에 대해서 분자 오비탈이 어떻게 분포가 되어 있는지 계산할 수 있으며, 이를 RDM-profile 이라고 한다. 본 발명에서는 상기 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈에 대한 RDM 구조 특성화를 통하여 매칭된 분자 오비탈 분포에 대하여 그래프 기반의 프로파일(graph-based profile)을 구성하여 그래프의 분자 오비탈 분포에 대한 프로파일 차이 (profile deviation), 즉 각각의 RDM에서의 분자 오비탈 분포의 차이를 구조 전체에 대하여 계산하는데, 하나의 RDM에서의 프로파일의 차이는 0 내지 1.0 사이의 값을 가지게 된다. 상기 프로파일의 차이가 0이면 두 프로파일은 동일한 것이고, 그 값이 커질수록 차이가 큰 것을 의미한다. 이와 같이 비교된 프로파일 비교를 통해 HOMO 및 LUMO 구조에 대하여 RDM 구성을 통하여 매칭된 분자 오비탈 분포에 대한 정량적인 차이를 알 수 있으며, 이는 상기에서 구한 모든 RDM의 경우에 대하여 합산한 하기 식 2의 TPD (total profile deviation) 값을 구함으로써, 더욱 구체화 할 수 있다.In the present invention, it is possible to calculate how the molecular orbital is distributed for each RDM calculated in the step b), which is called an RDM-profile. In the present invention, a graph-based profile is constructed for the molecular orbital distribution matched through the RDM structure characterization of the molecular orbitals of HOMO and LUMO to determine the profile deviation of the molecular orbital distribution of the graph. , I.e., the difference in molecular orbital distribution in each RDM is calculated for the entire structure, with the difference in profile in one RDM having a value between 0 and 1.0. If the difference of the profile is 0, the two profiles are the same, and the larger the value is, the larger the difference is. The comparison of the profile thus compared shows the quantitative difference in the molecular orbital distribution matched through the RDM configuration for the HOMO and LUMO structures. The TPD of the
（식 2）(Equation 2)
상기 식에서， Prof(Ak)와 Prof(Bk)는 각각 RDM(k)에 속하는 분자 오비탈 값을 나타내고, N은 RDM의 총 개수이다.）Where Prof (A k ) and Prof (B k ) denote molecular orbital values belonging to RDM (k), respectively, and N is the total number of RDMs.)
또한, 상기에서 구한 TPD 값을 이용하여 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 분포의 차이를 더욱 정량적으로 비교할 수 있는 MOD-Dscore를 하기 식 3과 같이 계산할 수 있다.Also, MOD-Dscore that can quantitatively compare the difference of molecular orbital distribution of HOMO and LUMO using the TPD value obtained above can be calculated as shown in Equation 3 below.
（식 3）(Equation 3)
MOD-Dscore＝1.0-TPD MOD-Dscore = 1.0-TPD
상기와 같이 계산된 MOD-Dscore는 0.0 내지 1.0 사이의 값을 가지게 되며, HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 분포가 정확하게 동일할 때에는 TPD 값은 0.0이고, 최종 MOD-Dscore의 값은 1.0을 가지게 된다. 따라서, HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 분포의 차이가 크면 클수록 MOD-Dscore는 1.0보다 작은 값을 가지게 된다. 이와 같이 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 사이의 분포 차이를 MOD-Dscore를 통하여 정량적으로 분석할 수 있다.The MOD-Dscore calculated as described above has a value between 0.0 and 1.0. When the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO is exactly the same, the TPD value is 0.0 and the final MOD-Dscore value is 1.0. Therefore, the larger the difference in the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO, the smaller the MOD-Dscore becomes. Thus, it is possible to quantitatively analyze the distribution difference between molecular orbital of HOMO and LUMO through MOD-Dscore.
또한, 상기에서 구한 MOD-Dscore를 이용하여 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 분포의 차이를 더욱 정량적으로 비교할 수 있는 DB-G score (Distribution Based-Gap score)를 하기 식 4와 같이 계산할 수 있다.Also, a DB-G score (Distribution Based-Gap score) that can quantitatively compare the difference of the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO using the MOD-Dscore obtained above can be calculated as shown in Equation (4).
(식 4)(Equation 4)
상기 식에서, 
In this formula,
앞서 살펴본 바와 같이, 두 상태의 분자 오비탈 분포가 정확하게 동일한 경우 MOD-Dscore는 1.0의 값을 가지고 분자 오비탈 분포 차이가 커질수록 MOD-Dscore는 1.0 보다 작은 값을 나타낸다. 따라서, MOD-Dscore가 존재하는 값의 범위는 0.0 < MOD-Dscore ≤ 1.0 이기 때문에 DB-G score는 0.0 이상의 실수 값을 나타낸다. 상기 DB-G score가 0.0일 때 HOMO-LUMO-gap에서 분자 오비탈로 인해 발생하는 분포 차이가 없어 HOMO와 LUMO 사이의 전자 이동이 가장 효율적이고, DB-G score가 0.0보다 큰 값을 가질수록 분포 차이가 커서 HOMO와 LUMO 사이에서의 전자 이동의 효율성이 떨어진다는 것을 나타낸다.
As mentioned above, when the molecular orbital distribution of two states is exactly the same, MOD-Dscore has a value of 1.0 and the MOD-Dscore shows a value smaller than 1.0 as the molecular orbital distribution difference becomes larger. Therefore, since the range of values in which MOD-Dscore exists is 0.0 < MOD-Dscore &le; 1.0, the DB-G score shows a real value of 0.0 or more. When the DB-G score is 0.0, the electron mobility between HOMO and LUMO is most efficient because there is no difference in distribution caused by the molecular orbitals in the HOMO-LUMO-gap. When the DB-G score is larger than 0.0, The difference is large, indicating that the efficiency of electron transfer between HOMO and LUMO is low.
또한, 본 발명은 상기에서 살펴본 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법을 이용한 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템을 제공한다. In addition, the present invention provides a quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO using quantitative comparison analysis method of molecular orbital distribution between HOMO-LUMO.
상기 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템은 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 비교할 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)의 분자 오비탈을 선택한 후, 양자역학 계산법을 이용하여 이들의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를 계산하여 데이터를 입력하는 데이터 입력 모듈: 각 분자 오비탈에 대한 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 데이터 입력 모듈에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 분자 구조 결정 모듈; 및 상기 분자 구조 결정 모듈에서 구한 2개의 RDM을 통한 구조 특성에 따른 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 비교 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다. The quantitative comparison and analysis system of the molecular orbital distribution between HOMO-LUMO can be obtained by selecting the molecular orbitals of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare molecular orbital distribution and then using quantum mechanics A data input module for calculating the molecular orbital distribution of the molecules and inputting the data, a structure characteristic is calculated through a RDM (radially discrete mesh) calculation method for each molecular orbital, HOMO and LUMO with a molecular orbital distribution to obtain a molecular orbital distribution according to a structural characteristic; And a comparison module for comparing the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO according to the structural characteristics through the two RDMs obtained by the molecular structure determination module using a profile method.
상기 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템에 있어서, 분자 오비탈 분포를 비교하려는 2개의 분자 오비탈 대상은 1개의 분자에 대한 2가지 전자 상태에 대한 것이 될 수 있다 (예를 들면, 동일한 분자에 대한 Neutral/HOMO와 neutral/LUMO).In a quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution between the HOMO-LUMOs, two molecular orbital targets to compare molecular orbital distributions can be for two electron states for one molecule (e.g., the same molecule For Neutral / HOMO and neutral / LUMO).
상기 데이터 입력 모듈에 있어서, 양자역학 계산법은 상기 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법에서와 같이, 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산할 수 있으며, 바람직하게는 단일지점 에너지（single point energy） 계산 또는 기하학적 최적화 （geometry optimization） 계산을 이용할 수 있다. In the data input module, the quantum mechanical calculation method is a method of quantitatively analyzing the molecular orbital distribution, such as the quantitative comparison analysis of molecular orbital distribution, in which the electron density, which is the square of the orbital wave function (ψ 2 ), and preferably a single point energy calculation or a geometry optimization calculation can be used.
또한, 상기 분자 구조 결정 모듈에 있어서, 구조 특성 계산은 상기 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법에서와 같이, (x，y，z)의 원자 좌표 (atomic coordinates)를 이용하여 계산할 수 있으며, 상기 분자 구조 결정 모듈의 구조 특성 계산은 RDM (radially discrete mesh) 계산방법을 이용할 수 있다.In the molecular structure determination module, the structural property calculation can be performed using the atomic coordinates of (x, y, z) as in the quantitative comparison analysis method of the molecular orbital distribution, The structure property calculation of the structure determination module can use a RDM (radially discrete mesh) calculation method.
상기 RDM 계산은 상기 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법에서와 같이, 각각의 RDM에 포함되는 분자 오비탈 분포를 매칭하여 RDM 정보를 얻는 것을 특징으로 한다. The RDM calculation is characterized by obtaining RDM information by matching the molecular orbital distribution included in each RDM, as in the quantitative comparative analysis method of the molecular orbital distribution.
상기 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법의 RDM의 총 개수 (N)는 50 이상 300 이하의 정수인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100 이상 250 이하의 정수일 수 있다.The total number (N) of RDMs in the RDM (radially discrete mesh) calculation method is preferably an integer of 50 or more and 300 or less, more preferably 100 or more and 250 or less.
또한, 상기 비교 모듈에 있어서, 구조 특성 계산은, 상기 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법에서와 같이, 프로파일 방법은 2개의 분자 오비탈의 각각의 RDM에서의 분자 오비탈 분포의 차이를 비교하는 RDM 프로파일 방법을 이용할 수 있다.Also, in the comparison module, the structural property calculation can be performed by an RDM profile method that compares the difference of molecular orbital distribution in each RDM of two molecular orbital, as in the quantitative comparison analysis method of the molecular orbital distribution Can be used.
상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 하기 식 2의 TPD (total profile deviation) 값을 이용할 수 있다.The profile method of calculating the structural characteristics of the comparison module may use the TPD (total profile deviation) value of Equation (2).
（식 2）(Equation 2)
상기 식에서， Prof(Ak)와 Prof(Bk)는 각각 RDM(k)에 속하는 분자 오비탈 값을 나타내고, N은 RDM의 총 개수이다.）
Where Prof (A k ) and Prof (B k ) denote molecular orbital values belonging to RDM (k), respectively, and N is the total number of RDMs.)
또한, 상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 하기 식 3의 MOD-Dscore 값을 이용할 수 있다. Also, the profile method of calculating the structural characteristics of the comparison module may use the MOD-Dscore value of Equation 3 below.
(식 3）(Equation 3)
MOD-Dscore＝1.0-TPD MOD-Dscore = 1.0-TPD
또한, 상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 상기에서 구한 MOD-Dscore를 이용하여 HOMO 및 LUMO 의 분자 오비탈 분포의 차이를 더욱 정량적으로 비교할 수 있는 DB-G score (Distribution Based-Gap score)를 하기 식 4와 같이 계산할 수 있다.In addition, the profile method of the structural property calculation of the comparison module uses a DB-G score (Distribution Based-Gap score) which can quantitatively compare the difference of molecular orbital distribution of HOMO and LUMO using the MOD-Dscore obtained above Can be calculated as shown in Equation 4 below.
(식 4)(Equation 4)
상기 식에서, 
In this formula,
본 발명에서 모듈(module)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
The term " module " in the present invention means a unit for processing a specific function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.
앞서 살펴본 바와 같이, 두 상태의 분자 오비탈 분포가 정확하게 동일한 경우 MOD-Dscore는 1.0의 값을 가지고 분자 오비탈 분포 차이가 커질수록 MOD-Dscore는 1.0 보다 작은 값을 나타낸다. 따라서, MOD-Dscore가 존재하는 값의 범위는 0.0 < MOD-Dscore ≤ 1.0 이기 때문에 DB-G score는 0.0 이상의 실수 값을 나타낸다. 상기 DB-G score가 0.0일 때 HOMO-LUMO-gap에서 분자 오비탈로 인해 발생하는 분포 차이가 없어 HOMO와 LUMO 사이의 전자 이동이 가장 효율적이고, DB-G score가 0.0보다 큰 값을 가질수록 분포 차이가 커서 HOMO와 LUMO 사이에서의 전자 이동의 효율성이 떨어진다는 것을 나타낸다.
As mentioned above, when the molecular orbital distribution of two states is exactly the same, MOD-Dscore has a value of 1.0 and the MOD-Dscore shows a value smaller than 1.0 as the molecular orbital distribution difference becomes larger. Therefore, since the range of values in which MOD-Dscore exists is 0.0 < MOD-Dscore &le; 1.0, the DB-G score shows a real value of 0.0 or more. When the DB-G score is 0.0, the electron mobility between HOMO and LUMO is most efficient because there is no difference in distribution caused by the molecular orbitals in the HOMO-LUMO-gap. When the DB-G score is larger than 0.0, The difference is large, indicating that the efficiency of electron transfer between HOMO and LUMO is low.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the embodiments of the present invention described below are illustrative only and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated in the claims, and moreover, includes all changes within the meaning and range of equivalency of the claims.
실시예Example
HOMO-LUMO의 분자 오비탈 사이의 분자 오비탈 분포 차이에 대한 정량적인 비교를 위하여, 본 발명에서 개발한 MOD-Dscore를 이용하여 NPB 물질에 대한 HOMO-LUMO-gap의 분자 오비탈 분포 차이를 본 발명의 DB-G score를 이용하여 정량적으로 비교하였다. In order to quantitatively compare the molecular orbital distribution difference between molecular orbitals of HOMO-LUMO, the molecular orbital distribution difference of the HOMO-LUMO-gap with respect to the NPB material using the MOD-Dscore developed in the present invention, -G score.
본 발명에서 개발한 MOD-Dscore를 이용하여 2개의 분자 오비탈 분포에 대한 차이를 얼마나 성공적으로 정량적인 비교를 할 수 있는지를 테스트 하기 위하여 도 5에서와 같이, 상기 NPB 분자의 서로 다른 전하 상태에 따른 HOMO-LUMO를 (a)와 (b)의 2가지 상태에 대하여 각각 적용하여 계산하였다. 상기 계산에서는 ACCELRYS 사에서 개발한 MATERIAL STUDIO의 DMol3를 이용하여 분자 오비탈의 분포를 계산하였으며, RDM의 계산을 위한 N 값은 200으로 설정하였고, DB-G score 계산을 위한 Nk 값은 5로 설정하였다.
In order to test how to successfully quantitatively compare the difference of two molecular orbital distributions using the MOD-Dscore developed in the present invention, as shown in FIG. 5, HOMO-LUMO was applied to the two states (a) and (b), respectively. The calculation in was using DMol3 of MATERIAL STUDIO developed ACCELRYS four calculate the distribution of the molecular orbital, N values for the calculation of the RDM was set to 200, N k value for the DB-G score calculation is set to 5 Respectively.
실시예 1: Anion/HOMO와 Anion/LUMO의 분자 오비탈 차이 비교Example 1: Comparison of molecular orbital differences between Anion / HOMO and Anion / LUMO
도 5의 (a)에서와 같이 본 발명의 DB-G score를 이용하여 정량적인 분포의 비교를 하였으며, HOMO와 LUMO 사이의 DB-G score값은 1.31로 0보다 큰 값을 나타내었다. 또한, HOMO와 LUMO의 에너지 차이(Energy Gap)은 0.1eV였다.
As shown in FIG. 5 (a), the DB-G score of the present invention is compared with a quantitative distribution. The DB-G score value between HOMO and LUMO is 1.31, which is greater than zero. The energy gap between HOMO and LUMO was 0.1 eV.
실시예 2: Cation/HOMO와 Cation/LUMO의 분자 오비탈 차이 비교Example 2: Comparison of molecular orbital difference between Cation / HOMO and Cation / LUMO
도 5의 (b)에서와 같이 본 발명의 DB-G score를 이용하여 정량적인 분포의 비교를 하였으며, HOMO와 LUMO 사이의 DB-G score값은 0.15로 0에 가까운 값을 나타내었다. 또한, HOMO와 LUMO의 에너지 차이(Energy Gap)은 0.2eV였다.
As shown in FIG. 5 (b), the DB-G score of the present invention was used to compare quantitative distributions. The DB-G score value between HOMO and LUMO was 0.15, which was close to zero. The energy gap between HOMO and LUMO was 0.2 eV.
상기 실시예 1 및 2의 결과를 살펴보면, 도 5의 (a)와 (b) 모두 에너지 차이 (Energy gap)는 거의 동일하였으나, DB-G score를 각각의 경우에 계산해 본 결과 분자 오비탈 분포 차이가 크게 나는 (a)의 경우 DB-G score는 1.31로 0보다 큰 값을 나타내고 분자 오비탈 분포가 거의 동일해 보이는 (b)의 경우는 DB-G score가 0.15로 거의 0에 가까운 값을 나타낸다.The results of Examples 1 and 2 show that the energy gap is almost the same in both of FIGS. 5 (a) and 5 (b), but the DB-G score is calculated in each case, In the case of (a), the DB-G score is 1.31 and the value of DB-G score is 0.15, which is more than 0 and the molecular orbital distribution is almost same.
이와 같이 본 발명의 DB-G score를 이용한 정량적인 비교 분석 방법은 HOMO-LUMO 사이의 에너지 차이(energy gap)가 거의 동일한 경우에도, HOMO-LUMO-gap에서 발생하는 분자 오비탈 분포 차이를 정량적으로 정확하게 나타낼 수 있다.As described above, the quantitative comparative analysis method using the DB-G score of the present invention can quantitatively and precisely correct the difference of the molecular orbital generated in the HOMO-LUMO-gap even when the energy gap between the HOMO and LUMO is almost the same .
Claims (20)
b) 상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 a)단계에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 단계; 및
c) 상기 b) 단계에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 단계를 포함하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.a) molecular orbital of the HOMO and LUMO is selected using a quantum mechanical calculation method after selecting the molecular orbital of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) to compare the molecular orbital distribution, Calculating respective distributions of:
b) calculating the structural characteristics of the HOMO and LUMO through a RDM (radially discrete mesh) calculation method, and then matching the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO calculated in the step a) Obtaining a molecular orbital distribution; And
c) comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of the HOMO and the LUMO obtained in the step b) using a profile method, and comparing the molecular orbital distribution between the HOMO-LUMO and the molecular orbital distribution.
상기 a) 단계의 양자역학 계산법은 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method according to claim 1,
The quantum mechanical calculation method in the step a) is performed through the distribution of the electron density (ψ 2 ), which is the square of the orbital wave function (ψ) at each point calculated in the molecular structure of the material. - Quantitative comparison and analysis of molecular orbital distribution between LUMO.
상기 a) 단계의 양자역학 계산법은 단일지점 에너지（single point energy） 계산 또는 기하학적 최적화 （geometry optimization） 계산을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method according to claim 1,
Wherein the quantum mechanical calculation of step a) uses a single point energy calculation or a geometry optimization calculation. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 b) 단계의 구조 특성 계산은 (x，y，z)의 원자 좌표 (atomic coordinates)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method according to claim 1,
Wherein the calculation of the structural characteristics of step (b) is performed using atomic coordinates of (x, y, z).
상기 b) 단계의 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법은 분자의 중심으로부터 출발해서 방사 방향 (radial direction)으로 일정한 간격을 가지고 증가하는 메쉬 (mesh)를 생성하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method according to claim 1,
The method for calculating a radially discrete mesh (RDM) in the step b) comprises: calculating a mesh from a center of the molecule and increasing the spacing in a radial direction, Quantitative comparative analysis of molecular orbital distribution.
상기 b) 단계의 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법의 RDM의 총 개수 (N)는 50 이상 300 이하의 정수인 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method of claim 5,
Wherein the total number (N) of RDMs of the RDM (radially discrete mesh) calculation method of step (b) is an integer of 50 or more and less than or equal to 300. A method for quantitative comparison and analysis of molecular orbital distribution among HOMO-
상기 ｃ) 단계의 프로파일 방법은 분자 물질의 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 각각의 RDM에서의 분자 오비탈 분포의 차이를 비교하는 RDM 프로파일 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.The method of claim 5,
Wherein the profile method of step c) uses an RDM profile method that compares the difference of molecular orbital distribution in the RDM of each of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) of the molecular material. Quantitative comparative analysis of molecular orbital distribution between LUMO.
상기 ｃ) 단계의 프로파일 방법은 하기 식 2의 TPD (total profile deviation) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.
（식 2）
상기 식에서， Prof(Ak)와 Prof(Bk)는 각각 RDM(k)에 속하는 분자 오비탈 값을 나타내고, N은 RDM의 총 개수이다.）The method of claim 5,
Wherein the profile method of step c) uses a total profile deviation (TPD) value of the following formula (2): HOMO-LUMO
(Equation 2)
Where Prof (A k ) and Prof (B k ) denote molecular orbital values belonging to RDM (k), respectively, and N is the total number of RDMs.)
상기 ｃ) 단계의 프로파일 방법은 하기 식 3의 MOD-Dscore (Molecular Orbital Distribution-Deviation Score) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.
（식 3）
MOD-Dscore＝1.0-TPD The method of claim 8,
Wherein the profile method of step c) comprises using a MOD-Dscore value of the formula 3 as follows: HOMO-LUMO.
(Equation 3)
MOD-Dscore = 1.0-TPD
상기 ｃ) 단계의 프로파일 방법은 하기 식 4의 DB-G score (Distribution Based-Gap Score) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 방법.
(식 4)
상기 식에서,
Wherein the profile method of step c) comprises using a DB-G score value of the formula (4) as follows: HOMO-LUMO =
(Equation 4)
In this formula,
상기 HOMO 및 LUMO에 대해 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법을 통하여 구조 특성을 계산한 후, 상기 데이터 입력 모듈에서 계산된 HOMO 및 LUMO의 분자 오비탈(molecular orbital) 분포와 매칭하여 구조 특성에 따른 분자 오비탈 분포를 구하는 분자 구조 결정 모듈; 및
상기 분자 구조 결정 모듈에서 구한 HOMO 및 LUMO의 구조 특성에 따른 분자 오비탈(molecular orbital) 분포를, 프로파일 방법을 이용하여 비교하는 비교 모듈을 포함하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.The molecular orbital distribution of the HOMO and the LUMO was determined using a quantum mechanical calculation method after selecting the molecular orbital of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) Data input module for calculating and inputting data, respectively:
The HOMO and LUMO are calculated by a RDM (radially discrete mesh) calculation method. Then, the HOMO and LUMO are matched with the molecular orbital distribution of HOMO and LUMO calculated in the data input module, A molecular structure determination module for obtaining a distribution; And
And a comparison module for comparing the molecular orbital distribution according to the structural characteristics of HOMO and LUMO obtained by the molecular structure determination module using the profile method.
상기 데이터 입력 모듈의 양자역학 계산법은 물질의 분자 구조에서 계산되는 각 지점에서의 오비탈 파동 함수(orbital wave function, ψ)의 제곱인 전자 밀도(ψ2)의 분포를 통하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.The method of claim 11,
Wherein the quantum mechanical calculation of the data input module is performed through the distribution of the electron density ( 2 ), which is the square of the orbital wave function (?) At each point calculated in the molecular structure of the material, - Quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution between LUMO.
상기 데이터 입력 모듈의 양자역학 계산법은 단일지점 에너지（single point energy） 계산 또는 기하학적 최적화 （geometry optimization） 계산을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.The method of claim 11,
Wherein the quantum mechanical calculation of the data input module utilizes single point energy calculation or geometry optimization calculation. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
상기 분자 구조 결정 모듈의 구조 특성 계산은 (x，y，z)의 원자 좌표 (atomic coordinates)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.The method of claim 11,
Wherein the calculation of the structural characteristics of the molecular structure determination module is performed using atomic coordinates of (x, y, z).
상기 분자 구조 결정 모듈의 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법은 분자의 중심으로부터 출발해서 방사 방향 (radial direction)으로 일정한 간격을 가지고 증가하는 메쉬 (mesh)를 생성하여 계산하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.The method of claim 11,
The method of calculating a RDM (radially discrete mesh) of the molecular structure determination module is characterized in that a HOMO-LUMO (LUMO) molecule is generated by generating a mesh starting from the center of the molecule and increasing in a radial direction Quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution in liver.
상기 분자 구조 결정 모듈의 RDM (radially discrete mesh) 계산 방법의 RDM의 총 개수 (N)는 50 이상 300 이하의 정수인 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.16. The method of claim 15,
Wherein the total number (N) of RDMs in the RDM (radially discrete mesh) calculation method of the molecular structure determination module is an integer of 50 or more and 300 or less.
상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 분자 물질의 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) 및 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 각각의 RDM에서의 분자 오비탈 분포의 차이를 비교하는 RDM 프로파일 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.16. The method of claim 15,
The profile method of the structural property calculation of the comparison module is characterized by using an RDM profile method for comparing differences of molecular orbital distribution in RDM of each of HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) and LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) A quantitative comparative analysis system of molecular orbital distribution between HOMO and LUMO.
상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 하기 식 2의 TPD (total profile deviation) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.
（식 2）
상기 식에서， Prof(Ak)와 Prof(Bk)는 각각 RDM(k)에 속하는 분자 오비탈 값을 나타내고, N은 RDM의 총 개수이다.）16. The method of claim 15,
Wherein a profile profile of the structural property calculation of the comparison module uses a TPD (total profile deviation) value of the following equation (2): HOMO-LUMO =
(Equation 2)
Where Prof (A k ) and Prof (B k ) denote molecular orbital values belonging to RDM (k), respectively, and N is the total number of RDMs.)
상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 하기 식 3의 MOD-Dscore (Molecular Orbital Distribution-Deviation Score) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.
（식 3）
MOD-Dscore＝1.0-TPD 19. The method of claim 18,
Wherein the profile of the structural property calculation of the comparison module uses a MOD-Dscore value of Formula 3 as follows: HOMO-LUMO = HOMO-LUMO;
(Equation 3)
MOD-Dscore = 1.0-TPD
상기 비교 모듈의 구조 특성 계산의 프로파일 방법은 하기 식 4의 DB-G score (Distribution Based-Gap Score) 값을 이용하는 것을 특징으로 하는 HOMO-LUMO 간의 분자 오비탈 분포의 정량적 비교 분석 시스템.
(식 4)
상기 식에서,
Wherein the profile of the calculation of the structural characteristics of the comparison module uses a DB-G score value of the following formula (4): HOMO-LUMO =
(Equation 4)
In this formula,
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