KR20090083763A - 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색시스템 및 방법 - Google Patents

전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법 및 시스템을 개시한다. 본 발명에 따르면, 제1클라이언트로부터 화학물질에 대한 명칭 및 화학식을 포함하는 기본 정보와 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터를 입력 받는 단계; 각 분자구조 별로 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태에 대하여 에너지가 가장 낮은 분자구조를 결정하는 단계; 상기 결정된 분자구조에서 해당 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 에너지와 용매 효과에 의한 용매화 에너지를 계산하는 단계; 상기 계산된 에너지와 용매화 에너지를 이용하여 계산화학 이론에 의한 수학식에 의해 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산하는 단계; 상기 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때의 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지 파일을 생성하는 단계; 및 상기 기본 정보, 계산된 전기화학적 물성 값 및 상기 생성된 이미지를 데이터베이스와 파일 저장소에 각각 수록하는 단계;를 반복적으로 수행하여 데이터베이스와 파일 저장소를 구축하는 단계; 화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 제2클라이언트로 제공하고, 상기 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 상기 데이터베이스와 파일 저장소로부터 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과 분자구조에 대한 그래픽 정보를 리드하여 리드된 정보를 포함하는 검색 결과 페이지를 상기 제2클라이언트를 통해 출력하는 단계;를 포함한다.
전기화학적 물성, 계산화학, HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital), LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital), 산화전위(Oxidation Potential), 환원전위(Reduction Potential), 이온화에너지(Ionization Potential), 전자친화도(Electron affinity), 용매 효과

Description

전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템 및 방법{System and method for searching chemical material candidate used in electro-chemical application product}
본 발명은 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군에 대한 각종 전기화학적 물성 값을 자동으로 계산하여 데이터베이스화한 후 전기화학적 응용 제품을 개발하고자 할 때 해당 제품에 사용될 수 있는 화학물질의 후보군을 효과적으로 검색할 수 있는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
리튬 2차 전지는 크게 양극재, 음극재, 세퍼레이터 그리고 리튬 이온의 전달이 일어나는 전해질(electrolyte)로 구성된다. 현재, 리튬 2차 전지의 성능을 향상시키기 위한 연구 개발이 전극과 전해질 모두에 대하여 다양한 형태로 진행되고 있다. 이러한, 리튬 2차 전지의 연구 개발에서 개선이 필요한 전지특성에 따라 적절한 후보 화학물질을 찾는 것은 매우 중요하며, 후보 화학물질을 선정하는 데는 많은 비용과 시간이 소요되고 있다. 리튬 2차 전지 분야에서 주로 연구가 진행되고 있는 분야로는 과충전 방지(Overcharge Protection), 효과적인 SEI(Solid Electrolyte Interface)의 형성 등을 들 수가 있으며, 각각에 목적에 부합되는 용 매(solvent)와 첨가제(additive) 들이 연구 개발을 통해 지속적으로 발표되고 있다.
그런데 이처럼 꾸준한 연구 개발을 통해 리튬 2차 전지에 사용 가능한 각종 화학물질의 물성 값이 지속적으로 발표되고 있음에도 불구하고, 이렇게 발표되는 자료를 체계적이고도 효율적으로 활용할 수 있는 기술이 아직 개발되어 있지 않은 실정이다. 이에 따라, 동일한 화학물질에 대한 연구 개발이 중복적으로 이루어짐으로써 경제적, 시간적 손실이 야기되고 있다.
또한, 연구 개발을 통해 공지된 각종 화학물질의 전기화학적 물성 값은 동일한 실험 조건에서 얻어진 것이 아니므로 후속 연구 개발 단계에서 공지된 전기화학적 물성 값을 그대로 채용할 수 없다는 한계가 있다. 특히, 다수의 화학물질 후보군을 도출하여 최적의 화학물질을 선정하고자 할 때 공지된 화학물질의 전기화학적 물성 값이 동일한 실험 조건에서 얻어진 것이 아니라면 각 화학물질의 전기화학적 물성 값을 상대적으로 비교하는 것이 불가능하여 결국은 실험을 통해 후보군에 포함된 각 화학물질의 전기화학적 물성 값을 다시 측정해야 한다는 문제가 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 전기화학적 응용 제품(대표적으로 리튬 2차 전지를 들 수 있다)의 개발 단계에서 해당 제품에 사용 가능한 화학물질의 후보군을 선정할 때에는 실험을 통해 후보군에 포함될 수 있는 여러 가지 화학물질의 전기화학적 물성 값을 직접 측정해 보는 것이 일반적이다.
하지만, 최근 들어 각종 전기화학적 응용 제품에 사용되는 각종 화학물질의 후보군을 선정하는 과정에서 계산화학 이론의 이용 가능성이 다양하게 제시되고 있 다.
전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질들의 전기화학적 물성 중 이론적인 계산으로 얻은 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지와 산화전위(Oxidation Potential), 그리고 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 에너지와 환원전위(Reduction Potential)간에 상관관계가 있음은 매우 잘 알려진 사실이다. 이러한 내용을 바탕으로 후보 화학물질 탐색을 위해 이론적인 계산방법을 이용한 예는 'M. Ue, A. Murakami, and S. Nakamura, J. Electrochem. Soc., 149, A1572 (2002) '와 'K. Abe, T. Hattori, K. Kawabe, Y. Ushigoe, and H. Yoshitake, 153, J. Electrochem. Soc., 154, A810 (2007) ' 등의 기존 발표 문헌에서도 쉽게 찾아볼 수 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 배경하에서창출된 것으로서, 계산화학 이론에 따른 각종 수학식에 의해 리튬 2차 전지와 같은 전기화학적 응용 제품에 사용될 수 있는 각종 화학물질의 전기화학적 물성 값을 자동으로 계산하여 데이터베이스화할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질의 전기화학적 물성 값이 저장된 데이터베이스를 이용하여 제품 설계 시 전기화학적 반응에 관여하는 화학물질 후보군을 신속하게 검색할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 검색된 화학물질 후보군의 전기화학적 물성 값을 상대적으로 비교할 수 있도록 전기화학적 물성 값의 비교 그래프를 제공하고, 나아가 후보군에 포함된 각 화학물질의 구조 및 분자 오비탈을 시각화하여 보여줄 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법은, 제1클라이언트로부터 화학물질에 대한 명칭 및 화학식을 포함하는 기본 정보와 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터를 입력 받는 단계; 각 분자구조 별로 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태에 대하여 에너지가 가장 낮은 분자구조를 결정하는 단계; 상기 결정된 분자구조에서 해당 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 에너지와 용매 효과에 의한 용매화 에너지를 계산하는 단계; 상기 계산된 에너지와 용매화 에너지를 이용하여 계산화학 이론에 의한 수학식에 의해 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산하는 단계; 상기 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때의 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지 파일을 생성하는 단계; 및 상기 기본 정보, 계산된 전기화학적 물성 값 및 상기 생성된 이미지를 데이터베이스와 파일 저장소에 각각 수록하는 단계;를 반복적으로 수행하여 데이터베이스와 파일 저장소를 구축하는 단계; 화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 제2클라이언트로 제공하고, 상기 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 상기 데이터베이스와 파일 저장소로부터 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과 분자구조에 대한 그래픽 정보를 리드하여 리드된 정보를 포함하는 검색 결과 페이지를 상기 제2클라이언트를 통해 출력하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 중성, 음이온 또는 양이온 상태에서의 3D 분자구조 및 분자 오비탈 이미지를 호출하는 링크를 포함하고, 상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 상기 파일 저장소에서 해당하는 3D 이미지를 리드하여 제2클라이언트로 출력하는 단계;를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 전기화학적 물성의 종류를 선택하는 인터페이스와, 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질의 상기 선택된 종류에 해당하는 전기화학적 물성 값을 비교해 보여주는 그래프를 호출하는 링크를 더 포함하고, 상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 검색된 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질에 대한 상기 선택된 종류에 따른 전기화학적 물성 값을 하나의 그래프에 표시하여 출력하는 단계;를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 상기 전기화학적 물성 값은 쌍극자 모멘트(Dipole Moment), HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital), LUMO(Lowest Occupied Molecular Orbital), IP(이온화 에너지, Ionization Potential), OP(산화전위, Oxidation Potential), EA(전자친화도, Electron Affinity) 및 RP(환원전위, Reduction Potential)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기화학적 응용 제품에 사 용되는 화학물질 후보군 검색 시스템은, 제1클라이언트로부터 화학물질에 대한 명칭 및 화학식을 포함하는 기본 정보와 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터를 입력 받는 데이터 입력 모듈; 각 분자구조 별로 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태에 대하여 에너지가 가장 낮은 분자구조를 결정하는 분자구조 결정 모듈; 상기 결정된 분자구조에서 해당 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 에너지와 용매 효과에 의한 용매화 에너지를 계산하고, 상기 계산된 에너지와 용매화 에너지를 이용하여 계산화학 이론에 의한 수학식에 의해 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산하는 전기화학적 물성 값 계산 모듈; 상기 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때의 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지 파일을 생성하는 분자구조 시각화 모듈; 상기 기본 정보, 계산된 전기화학적 물성 값 및 상기 생성된 이미지를 데이터베이스와 파일 저장소에 각각 수록하는 데이터베이스화 모듈; 및 화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 제2클라이언트로 제공하고, 상기 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 상기 데이터베이스와 파일 저장소로부터 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과 분자구조에 대한 그래픽 정보를 리드하여 리드된 정보를 포함하는 검색 결과 페이지를 상기 제2클라이언트를 통해 출력하는 검색 모듈;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 비슷한 성격의 연구 조직들간에 연구 산출물들을 공유하고, 또한 계산화학 이론을 이용하여 전기화학적 반응을 이용한 응용 제품의 설계 시 적합한 화학물질 후보군을 빠르게 선별할 수 있으므로 화학물질을 디자인하는데 있어서 보다 효율적인 개발 환경을 제공할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학물질 후보군 검색 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 화학물질 후보군 검색 시스템(10)은, 응용 서버(11), 검색 서버(12), 관리자 클라이언트(13), 이용자 클라이언트(14), 파일 저장소(15) 및 데이터베이스(16)를 포함한다. 이들 각 구성요소는 유선 랜, 무선 랜, 블루투스 등의 다양한 공지된 유/무선 네트워크(17)를 통해 상호 통신이 가능하도록 접속된다.
상기 응용 서버(11)는 전기화학적 응용 제품에 사용 가능한 화학물질의 각종 전기화학적 물성 값을 계산하여 데이터베이스(16)에 저장하고, 아울러 화학물질이 가질 수 있는 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈을 이미지로 생성하여 파일 저장소(15)에 저장한다. 상기 응용 제품의 일 예로는 각종 2차 전지를 들 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 상기 전기화학적 물성 값은 계산화학 이론에 따른 수학식으로 계산하며, 계산에 하는데 필요한 정보는 관리자 클라이언트(13)로부터 입력 받는다.
상기 응용 서버(11)에는 화학물질에 대한 전기화학적 물성 값, 2D/3D 분자구조, 분자 오비탈을 시각적 이미지로 생성하여 데이터베이스(16)와 파일 저장소(15)에 수록할 수 있는 서버 프로그램이 인스톨되어 있으며, 이러한 서버 프로그램의 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
상기 검색 서버(12)는 이용자 클라이언트(14) 측에 화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 입력할 수 있는 검색 인터페이스를 제공하고, 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 데이터베이스(16)와 파일 저장소(15)를 조회하여 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질의 후보군 정보를 리드하여 상기 이용자 클라이언트(14) 측에 출력한다.
상기 관리자 클라이언트(13)는 전기화학적 물성 값을 계산하고 2D/3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지를 생성할 때 필요한 각종 정보를 네트워크(17)를 통해 응용 서버(11)로 입력한다. 상기 정보는 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터, 화학물질의 명칭, 화학식 등의 정보를 포함한다. 상기 분자구조 데이터는 화학물질의 분자구조에서 각 원자가 점유하는 위치 좌표를 포함한다. 화학물질이 다수의 분 자구조를 갖는 경우 분자구조 데이터는 분자구조의 수에 상응하는 수로 입력된다. 상기 관리자 클라이언트(13)는 연구 개발의 결과로 특정 화학물질의 전기화학적 물성 값을 획득한 연구 개발자가 사용하는 것으로서, 하기에서 설명되는 이용자 클라이언트(14)와 동일한 클라이언트로 이해하여도 무방하다.
상기 이용자 클라이언트(14)는 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 상기 검색 서버(12)로부터 제공받은 후 이용자가 상기 검색 인터페이스에서 입력된 검색 인자를 검색 서버(12)로 전송하고, 검색 서버(12)가 검색 결과로서 출력하는 화학물질 후보군 정보를 이용자에게 출력한다.
상기 데이터베이스(16)는 응용 서버(11)에 의해 생성되는 화학물질에 대한 각종 전기화학적 물성 값을 테이블 형태로 저장하고, 오라클, SQL, MySQL 등 공지된 데이터베이스 서버로 구축이 가능하다.
상기 파일 저장소(15)는 응용 서버(11)에 의해 생성되는 화학물질에 대한 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지가 저장되는 대용량 저장매체로서, 공지된 하드디스크나 디스크 어레이 등으로 구현할 수 있다.
도 2는 응용 서버(11) 내에 설치되는 서버 프로그램(20)의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 상기 서버 프로그램(20)은, 데이터 입력 모듈(21), 분자구조 결정 모듈(22), 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23), 분자구조 시각화 모듈(24) 및 데이터베이스화 모듈(25)을 포함한다.
상기 데이터 입력 모듈(21)은 전기화학적 응용 제품에 사용되는 각종 화학물 질의 전기화학적 물성 값을 계산하기 위해 필요한 정보를 관리자 클라이언트(14)로부터 입력 받는다. 상기 정보는 화학물질이 가질 수 있는 각 분자구조 데이터, 화학물질의 명칭, 화학식 등을 포함한다. 한편, 화학물질이 복수의 분자구조를 가질 수 있는 경우, 상기 데이터 입력 모듈(21)은 분자구조 별로 분자구조 데이터를 입력 받는다. 상기 데이터 입력 모듈(21)은 관리자 클라이언트(14)로부터 화학물질에 대한 정보가 입력되면 해당 화학물질에 대해 고유 ID를 부여한다.
상기 분자구조 결정 모듈(22)은 각 분자구조 별로 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태에 있을 때 가장 에너지가 낮은 최적 분자구조를 결정한다. 예를 들어, 화학물질이 2가지의 분자구조를 가질 수 있다면, 각 분자구조 별로 중성, 음이온 및 양이온 상태의 내부 에너지를 계산하고 각 상태 별로 에너지가 낮은 분자구조를 각 상태 별 최적 분자구조로 결정한다.
산화 및 환원 상태에서 화학물질의 분자구조는 범밀도 함수 방법(density functional method)를 사용하여 최적화할 수 있다. 이 때, BPW91 계산법(Becke exchange and Perdew correlation correction functional)과 DNP(double numerical basis set including polarization function) 기저 집합(basis set)이 사용될 수 있다.
여기서, BPW91 계산법은 논문 'A. D. Becke, Phys. Rev. A, 38, 3098 (1988) '와 'J. P. Perdew and Y. Wang, Phys. Rev. B, 45, 13244 (1992) '에 개시되어 있고, DNP 기저 집합은 논문 'B. Delley, J. Chem. Phys., 92, 508 (1990)'에 개시되어 있다. 따라서 상기 각 논문은본 명세서의 내용으로 병합되는 것으로 하고, 논문 의 내용에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 분자구조 결정 모듈(22)은 화학물질의 상태 별로 분자구조를 최적화할 때 상용화 프로그램인 Accelrys사의 'DMol3' package를 이용할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 상기결정된 상태 별 최적 분자구조에 기초하여 해당 화학물질이 기체 상에서 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 각종 전기화학적 물성 값을 계산화학 이론에 따른 수학식으로 계산한다.
나아가, 상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 상기 결정된 상태 별 최적 분자구조에 기초하여 해당 화학물질이 특정 용매 내에서 중성, 음이온 및 양이온 상태에 있을 때 가지는 용매 효과를 감안한 전기화학적 물성 값을 계산화학 이론에 따른 수학식으로 계산한다.
구체적인 예로, 상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 BPW91/DNP 레벨에서 최적화된 상태 별 구조를 이용하여 쌍극자 모멘트(Dipole Moment), HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital), LUMO(Lowest Occupied Molecular Orbital), IP(Ionization Potential), EA(electron Affinity), OP(Oxidation Potential), RP(Reduction Potential) 등의 전기화학적 물성 값을 계산하기 위해 단일 포인트 에너지(single point energy) 계산을 B3PW91 하이브리드 계산법(hybrid functional)과 6-31+G* 기저 집합에서 수행할 수 있다. 이러한 단일 포인트 에너지 계산 방법은 본명세서의 일부로 통합된 논문 'A. D. Becke, J. Chem. Phys., 98, 5648 (1993)'에 개시되어 있다.
상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 브롬(Br)과 같은 무거운 원자에 대해서는 유효 중심 포텐셜(effective core potential)을 사용한다. 유효 중심 포텐셜은 논문 'aug-cc-pVDZ-PP; K. A. Peterson, D. Figgen, E. Goll, H. Stoll, M. Dolg, J. Chem. Phys., 119, 11113 (2003)'에 개시되어 있으며, 본 논문은 본 명세서의 일부로 통합되는 것으로 한다.
상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 화학물질의 전기화학적 물성 값 중 산화 포텐셜과 환원 포텐셜을 계산하기 위해 용매 효과(solvent effect)를 CPCM(Polarizable conductor continuum model) 방법을 이용하여 고려하여 용매화 에너지(Solvation energy)를 계산한다. CPCM 방법은 용질 분자를 구성하고 있는 원자들의 반데르 발스 반경에 해당하는 중공을 형성하고 특정 유전 상수(dielectric constant)를 가지는 용매들에 의해 둘러 쌓여 있다고 보는데, 이 때 용매는 분극이 가능한 유전 연속체(dielectric continuum)로 표현된다. 이 때 용질 분자의 전하분포에 의해 유전 연속체로 표현되는 용매의 분극이 일어나게 되고 이에 따라 중공 표면에 분극 전하가 형성된다. 용매 효과는 용매 분극에 따른 정전 상호 작용(electrostatic interaction)과 중공 형성에 따른 비 정전 상호작용(non-electrostatic interaction)으로 구분되어 계산되며, 2가지 상호 작용의 합을 이용해 용매 효과를 구한다. 이러한 CPCM 방법은 논문 ' V. Barone and M. Cossi, J. Phys. Chem. A, 102, 1995 (1998)'에 개시되어 있으며, 본 논문은 본 발명의명세서에 통합되는 것으로 한다. 용매 효과를 계산할 때에는 클램트(Klamt)가 제시한 원자간 거리(atomic radii)를 사용할 수 있다. 클램트의 이론은 논문 ' F. Eckert and A. Klamt, AIChE J. 48, 369 (2002)'에 개시되어 있으며, 본 논문은 본 명세서의 일부로 통합되는 것으로 한다.
상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 단일 점 에너지계산과 용매 효과를 고려한 용매화 에너지를 가우시안(Gaussian) 사에서 개발한 상용화 계산 프로그램인 'Gaussian03' package를 사용하여 수행할 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.
상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)은 각 상태 별 단일 점 에너지와 용매 효과를 고려한 각 상태 별 용매화 에너지의 계산이 완료되면, 공지된 계산화학 이론에 따른 수학식을 이용하여 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산한다. 여기서, 상기 전기화학적 물성 값은 쌍극자 모멘트, HOMO, LUMO, IP, EA, OP 및 RP을 포함한다.
다음은 상기 전기화학적 물성 값 계산 모듈(23)이 리튬 2차 전지에서 사용되는 전해질 X의 전기화학적 물성 값을 계산하는데 사용하는 계산화학 이론에 따른 수학식들의 예시이다. 하기 수학식에서 E(X)는 전해질 X의 단일 점 에너지이고, Gsolv(X)는 전해질 X의 용매 효과를 감안한 용매화 에너지(Solvation energy)이다. 전해질 X의 중성, 음이온, 양이온 상태에서의 에너지, E와 용매화 에너지, G는 'Gaussian03' package를 이용하여 계산할 수 있다. 이 때, 각 상태 별 최적 분자구조는 'DMol3' package를 구하여 얻을 수 있다. 하지만, 본 발명은 구조 최적화 또는 E화 G를 계산하기 위한 상용화 패키지의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
Ionization Potential, IP = E (cation, X+) - E (neutral, X) [1]
Electron Affinity, EA = E (neutral, X) - E (anion, X-) [2]
Ox.Potential = IP + { Gsolv (cation, X+) - Gsolv (neutral, X) } [3]
Red. Potential = - EA + { Gsolv (anion, X-) - Gsolv (neutral, X) } [4]
Ox. Potential (V, vs. Li/Li+) = Ox. Potential (eV)/e - 1.46V [5]
Red. Potential (V, vs. Li+/Li) = - Red. Potential (eV)/e - 1.46 [6]
상기 수학식들 중, [1]번 식은 화학물질의 IP를, [2]번 식은 EA를 계산하는 수학식이다. 그리고, [3]번 식은 진공을 기준으로 한 화학물질의 산화 전위 OP를, [4]번 식은 진공을 기준으로 한 화학물질의 환원 전위 RP를 계산하는 수학식이다. 또한, [5]번 및 [6]번 식은 [3]번 및 [4]번 식에 따른 산화 및 환원 전위를 리튬 전극을 기준으로 한 값으로 환산하기 위한 수학식이다. 한편, 상기 [5]번 및 [6]번 수학식은 2차 전지에서 사용되는 전지의 종류에 따라 달라질 수 있음은 자명하다. 그리고, 추가로 HOMO 에너지는전해질 X의중성상태의 에너지를 구했을 때, 전자가 채워진 분자 오비탈 중 가장 에너지가 높은 준위의 오비탈 에너지를 말하며, LUMO 에너지는 전자가 채워지지 않은 분자 오비탈 중 가장 에너지가 낮은 준위의 오비탈 에너지에 해당한다.
상기 분자구조 시각화 모듈(24)은 화학물질의 2D 분자구조와 중성, 음이온 및 양이온일 때 갖는 최적 분자구조를 3D 분자구조, 그리고, 3D 분자 오비탈 이미지를 생성한다. 여기서, 상기 최적 분자구조는 상기 분자구조결정 모듈(22)에 의해 결정된 화학물질의 상태 별 분자구조다. 상기 최적 분자구조 이미지를 생성할 때에는 화학물질의 분자구조 내에 포함된 각 원자의 Cartesian 좌표를 이용하며, 분자 오비탈 이미지는 'Gaussian03' package에서 제공하는 cube 파일을 이용한다. 각 이미지는 Cambridge soft사에서 제공하는 chemoffice plugin을 이용하여 웹페이지에 게시할 수 있다. 상기 데이터베이스화 모듈(25)은 상기 전기화학적 물성 계산 모듈(23)이 계산한 화학물질의 각종 전기화학적 물성 값을 데이터베이스(16)에 저장하고, 상기 분자구조 시각화 모듈(24)이 생성한 화학물질의 상태 별 2D 및 3D 이미지를 파일 저장소(15)에 저장한다. 상기 전기화학적 물성 값은 화학물질의 쌍극자 모멘트, HOMO, LUMO, IP, EA, OP 및 RP를 포함한다. 아울러, 상기 데이터베이스화 모듈(25)은 미리 준비된 주기율표 테이블을 참조하여 화학물질의 분자량을 계산하고, 화학물질에 할당된 고유 ID, 화학물질의 명칭, 화학식 및 계산된 분자량 정보를 데이터베이스(16)에 저장한다.
도 3은 상기 검색 서버(12) 내에 설치된 서버 프로그램(30)의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 상기 서버 프로그램(30)은 검색 모듈(31), 분자구조 출력 모듈(32) 및 그래프 출력 모듈(33)을 포함한다.
상기 검색 모듈(31)은 이용자 클라이언트(14)의 요청이 있을 경우 전기화학적 물성을 검색 인자로하는 검색 인터페이스를 이용자 클라이언트(14) 측에 제공한 다.
도 4는 이러한 검색 인터페이스의 일 예를 도시한다. 도면을 참조하면, 상기 검색 인터페이스는 이용자가 검색 조건을 지정할 수 있는 다양한 입력 필드를 구비한다.
상기 입력 필드는 화학물질의 ID, 화학식, 분자량, HOMO, LUMO, IP, EA, OP, RP 등을 입력할 수 있는 필드를 구비하는데, 본 발명이 이에 한정하는 것은 아니다. 상기 입력 필드는 각 검색 인자의 and/or 조합 여부를 선택하는 선택 박스를 더 포함한다. 대안적으로, 두 개 이상의 필드에 검색어가 입력되면 and 검색 조건으로 자동 간주하는 것도 가능하다.
상기 검색 모듈(31)은 상기 검색 인터페이스에서 검색어가 입력된 후 검색 요청이 이루어지면, 검색 요청 정보를 전송 받아 검색 조건에 대응되는 화학물질 후보군의 전기화학적 물성 정보를 데이터베이스(16)에서 리드한다. 이 때, 추가적으로 파일 저장소(15)에 수록된 화학물질의 2D 이미지를 더 리드할 수 있다. 그런 다음 상기 검색 모듈(31)은 리드한 전기화학적 물성 정보로 검색 결과 페이지를 구성하여 이용자에게 출력한다. 여기서, 상기 전기화학적 물성 정보는 ID, 명칭, 분자량, 화학식, 쌍극자 모멘트, HOMO, LUMO, IP, EA, OP 및 RP를 포함한다.
도 5는 상기 검색 결과 페이지의 일 예를 도시하고 있다. 도면을 참조하면, 상기 검색 결과 페이지는 검색된 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과, 각 화학물질의 2D 이미지를 게시한다. 상기 검색 결과 페이지가 출력되면, 이용자는 전기화학적 응용 제품에 사용할 화학물질의 선정에 상기 검색 결과 페이지에 게 시된 각종 정보를 활용할 수 있다.
상기 검색 결과 페이지는 검색된 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질의 상태 별 3D 이미지를 출력할 수 있는 링크(61)를 더 포함할 수 있다. 이런 경우, 상기 검색 모듈(31)은 검색 결과 페이지를 구성하는 과정에서 검색된 화학물질 후보군의 3D 이미지가 저장된 파일 저장소(15) 내의 저장 경로를 상기 링크(61)에 포함시킨다. 상기 링크(61)는 화학물질의 3가지 상태 별로 포함될 수 있다. 여기서, 3가지 상태는 중성, 양이온 및 음이온 상태를 말한다. 상기 링크(61)가 제공되면, 이용자는 링크를 선택(클릭)할 수 있다.
상기 링크(61)가 선택되면, 상기 분자구조 출력 모듈(32)은 선택된 링크에 부여된 저장 경로를 확인하여 파일 저장소(15)로부터 해당 3D 이미지 파일을 리드하여 이용자 클라이언트(14)로 출력한다. 도 6은 검색 결과 페이지에서 상기 링크(61)가 선택되었을 때 이용자 클라이언트(14)로 출력되는 화면을 예시한 것으로서, 동 화면이 제공되면 이용자는 화학물질의 구조를 입체적으로 확인해 볼 수 있는 이점이 있다. 참고로, 도 6에 도시된 분자구조는 화학물질이 중성 상태에 있을 때의 3D 분자구조이다.
상기 검색 결과 페이지는 검색된 화학물질 후보군에 포함된 복수의 화학물질의 전기화학적 물성 값을 상대적으로 비교할 수 있도록 그래프를 출력하는 링크(63)와, 비교 대상이 되는 전기화학적 물성의 종류를 선택할 수 있는 선택 박스(62)를 더 포함할 수 있다.
이런 경우, 이용자가 상기 선택 박스(62)에서 비교 대상으로 삼고자 하는 전 기화학적 물성의 종류를 지정한 후 상기 링크(63)를 선택하면, 상기 그래프 출력 모듈(33)은 검색된 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질의 선택된 전기화학적 물성 값들을 그래프로 작성하여 이용자 클라이언트(14) 측에 출력한다. 도 7은 상기 그래프를 예시한 것으로서, 이용자는 그래프를 통해 검색된 화학물질들의 전기화학적 물성을 용이하게 비교해 볼 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법을 구현하기 위해 응용 서버(11)가 데이터베이스(16)와 파일 저장소(15)를 구축하는 과정을 순차적으로 도시한 절차 흐름도이다. 이하에서는 앞서 설명한 내용에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
먼저, 응용 서버(11)는 관리자 클라이언트(13)로부터 화학물질이 가질 수 있다고 알려진 분자구조 마다 분자구조 데이터, 명칭, 화학식 등을 입력 받는다(S101). 이를 위해, 상기 응용 서버(11)는 관리자 클라이언트(13) 측에 화학물질에 대한 상기한 정보들을 입력할 수 있는 인터페이스를 제공할 수 있다. 그러고 나서, 응용 서버(11)는 입력된 화학물질에 대해 ID를 부여한다(S102).
이어서, 응용 서버(11)는 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태 별로 에너지가 최소가 되는 분자구조를 결정한다(S103).
그런 다음, 응용 서버(11)는 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 갖는 단일 점 에너지를 계산한다(S104). 나아가, 응용 서버(11)는 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 용매 효과를 감안한 용매화 에너지를 계산한다(S105).
화학물질의 단일 점 에너지와 용매화 에너지 계산이 완료되면, 응용 서버(11)는 계산화학 이론에 따른 수학식을 적용하여 화학물질의 각종 전기화학적 물성 값을 계산한다(S106).
이어서, 응용 서버(11)는 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태 별 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지 파일을 생성한다(S107).
마지막으로, 응용 서버(11)는 화학물질의 전기화학적 물성 값과 2D 및 3D 구조와 분자 오비탈에 대한 이미지를 데이터베이스(16) 및 파일 저장소(15)에 각각 저장한다(S108).
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 내용에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
먼저, 검색 서버(12)는 이용자 클라이언트(14)의 접속을 인지하여 검색 인터페이스를 이용자 클라이언트(14)로 출력한다(S201). 이에 따라, 이용자는 검색 인터페이스 상에서 검색 조건을 작성하여 검색 서버(12) 측에 화학물질 후보군에 대한 검색을 요청한다.
그러면, 검색 서버(12)는 검색 조건에 대응되는 화학물질들의 ID, 분자량, 각종 전기화학적 물성 값과 2D 이미지 파일을 데이터베이스(16)와 파일 저장소(15)로부터 각각 리드한다(S202). 그런 후, 검색 서버(12)는 리드된 정보들로 검색 결과 페이지를 구성하여 이용자 클라이언트(14)로 출력한다.
한편, 이용자는 검색 결과 페이지에 포함된 3D 이미지 출력을 위한 링크 또 는 화학물질 후보군 내에 포함된 화학물질들의 전기화학적 물성 값을 상대적으로 비교해 보기 위해 비교의 대상이 되는 물성의 종류를 지정하고 그래프 출력 링크를 선택할 수 있다.
전자의 경우, 검색 서버(12)는 해당하는 3D 이미지를 파일 저장소(15)로부터 리드하여 이용자 클라이언트(14)로 출력한다. 후자의 경우, 검색 서버(12)는 화학물질 후보군에 포함된 화학물질들에 대한 지정된 전기화학적 물성 값을 그래프의 형태로 작성하여 이용자 클라이언트(14)로 출력한다.
상술한 실시예에서, 응용 서버(11) 및 검색 서버(12)는 별개의 서버로 구현하지 않고 하나의 서버로 통합 운용될 수 있다. 나아가, 응용 서버(11) 및 검색 서버(12) 내에 설치된 서버 프로그램의 각종 모듈을 하나의 프로그램으로 통합하고, 그 프로그램을 클라이언트에 설치함으로써 클라이언트에서 직접 데이터베이스(16)와 파일 저장소(15)를 구축하고 기 구축된 정보를 이용하여 화학물질 후보군을 검색할 수 있다. 아울러, 상기 검색 서버(12)는 화학물질 후보군의 검색 서비스를 회원 인증을 받은 이용자 클라이언트(14)에만 제공할 수 있다. 이런 경우, 상기 검색 서버(12)는 이용자들을 회원으로 등록시키고 검색 서버 접속 단계에서 회원 인증을 이용자에게 요구할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 화학물질 후보군 검색 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 응용 서버 내에 설치되는 서버 프로그램의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 상기 검색 서버 내에 설치된 서버프로그램의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제공되는 검색 인터페이스의 화면 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제공되는 검색 결과 페이지의 화면 예시도이다.
도 6은 본 발명에 따라 제공되는 3D 분자구조 이미지의 화면 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따라 제공되는 전기화학적 물성 값 비교 그래프의 화면 예시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법을 구현하기 위해 응용 서버가 데이터베이스와 파일 저장소를 구축하는 과정을 순차적으로 도시한 절차 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 참조 번호>
응용 서버: 11 검색 서버: 12
관리자 클라이언트: 13 이용자 클라이언트: 14
파일 저장소: 15 데이터베이스: 16
데이터 입력 모듈: 21 분자구조 결정 모듈: 22
전기화학적 물성 값 계산 모듈: 23
분자구조 시각화 모듈: 24 데이터베이스화 모듈: 25
검색 모듈: 31 분자구조 출력 모듈: 32
그래프 출력 모듈: 33

Claims (10)

  1. 제1클라이언트로부터 화학물질에 대한 명칭 및 화학식을 포함하는 기본 정보와 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터를 입력 받는 단계; 각 분자구조 별로 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태에 대하여 에너지가 가장 낮은 분자구조를 결정하는 단계; 상기 결정된 분자구조에서 해당 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 에너지와 용매 효과에 의한 용매화 에너지를 계산하는 단계; 상기 계산된 에너지와 용매화 에너지를 이용하여 계산화학 이론에 의한 수학식에 의해 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산하는 단계; 상기 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때의 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지를 생성하는 단계; 및 상기 기본 정보, 계산된 전기화학적 물성 값 및 상기 생성된 이미지를 데이터베이스와 파일 저장소에 각각 수록하는 단계;를 반복적으로 수행하여 데이터베이스와 파일 저장소를 구축하는 단계;
    화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 제2클라이언트로 제공하고, 상기 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 상기 데이터베이스와 파일 저장소로부터 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과 분자구조에 대한 그래픽 정보를 리드하여 리드된 정보를 포함하는 검색 결과 페이지를 상기 제2클라이언트를 통해 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 중성, 음이온 또는 양이온 상태에서의 3D 분자구조 및 분자 오비탈 이미지를 호출하는 링크를 포함하고,
    상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 상기 파일 저장소에서 해당하는 3D 이미지를 리드하여 제2클라이언트로 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 전기화학적 물성의 종류를 선택하는 인터페이스와, 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질의 상기 선택된 종류에 해당하는 전기화학적 물성 값을 비교해 보여주는 그래프를 호출하는 링크를 더 포함하고,
    상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 검색된 화학물질 후보군에 포함된 각 화학물질에 대한 상기 선택된 종류에 따른 전기화학적 물성 값을 하나의 그래프에 표시하여 출력하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 물성 값은 쌍극자 모멘트, HOMO, LUMO, IP, OP, EA 및 RP로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하 는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분자구조 데이터는 화학물질의 분자구조를 구성하는 각 원자의 위치 좌표를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 방법.
  6. 제1클라이언트로부터 화학물질에 대한 명칭 및 화학식을 포함하는 기본 정보와 화학물질이 가질 수 있는 분자구조 데이터를 입력 받는 데이터 입력 모듈;
    각 분자구조 별로 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태에 대하여 에너지가 가장 낮은 분자구조를 결정하는 분자구조 결정 모듈;
    상기 결정된 분자구조에서 해당 화학물질이 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때 가지는 에너지와 용매 효과에 의한 용매화 에너지를 계산하고, 상기 계산된 에너지와 용매화 에너지를 이용하여 계산화학 이론에 의한 수학식에 의해 화학물질의 전기화학적 물성 값을 계산하는 전기화학적 물성 값 계산 모듈;
    상기 화학물질의 중성, 음이온 및 양이온 상태일 때의 2D 및 3D 분자구조와 분자 오비탈 이미지 파일을 생성하는 분자구조 시각화 모듈;
    상기 기본 정보, 계산된 전기화학적 물성 값 및 상기 생성된 이미지를 데이터베이스와 파일 저장소에 각각 수록하는 데이터베이스화 모듈; 및
    화학물질의 전기화학적 물성을 검색 인자로 하는 검색 인터페이스를 제2클라 이언트로 제공하고, 상기 검색 인터페이스를 통하여 특정 검색 인자 조합에 의한 화학물질 후보군 검색이 요청되면, 기 구축된 상기 데이터베이스와 파일 저장소로부터 검색 인자 조합에 대응되는 화학물질 후보군에 대한 전기화학적 물성 값과 분자구조에 대한 그래픽 정보를 리드하여 리드된 정보를 포함하는 검색 결과 페이지를 상기 제2클라이언트를 통해 출력하는 검색 모듈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 중성, 음이온 또는 양이온 상태에서의 3D 분자구조 및 분자 오비탈 이미지를 호출하는 링크를 포함하고,
    상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 상기 파일 저장소에서 해당하는 3D 이미지를 리드하여 제2클라이언트로 출력하는 분자구조 출력 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 검색 결과 페이지는 화학물질의 전기화학적 물성의 종류를 선택하는 인터페이스와, 화학물질 후보군에포함된 각 화학물질의 상기 선택된 종류에 해당하는 전기화학적 물성 값을 비교해 보여주는 그래프를 호출하는 링크를 더 포함하고,
    상기 검색 결과 페이지에서 상기 링크가 선택되면, 검색된 화학물질 후보군 에 포함된 각 화학물질에 대한 상기 선택된 종류에 따른 전기화학적 물성값을 하나의 그래프에 표시하여 출력하는 그래프 출력 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 전기화학적 물성 값은 쌍극자 모멘트, HOMO, LUMO, IP, OP, EA 및 RP로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 분자구조 데이터는 화학물질의 분자구조를 구성하는 각 원자의 위치 좌표를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 응용 제품에 사용되는 화학물질 후보군 검색 시스템.
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