KR20210128191A - 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소가 부동태화(Passivation)된 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법으로서, 그래핀 모형의 크기 및 원자수 및 부동태화 수소 원자수가 입력되는 제1단계; 상기 제1단계로부터 입력된 데이터에 따라 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형이 획득되는 제2단계; 상기 제2단계로부터 획득된 이차원 그래핀 모형에 분자동력학 기반의 AIREBO(Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order) 포텐셜을 적용하여 삼차원 그래핀 모형이 획득되는 제3단계; 상기 제3단계로부터 획득된 3차원 그래핀 모형으로부터 각 원자들의 위치 좌표를 추출하여 최종 모형이 획득되는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 분자동력학이 적용되어 탄소 원자간의 실제적인 상호작용이 고려된 그래핀 모형의 모델링 방법을 구현할 수 있다.
또한, 그래핀 등으로 마련되는 나노 필름에 수소가 부동태화되어 그래핀 탄소원자 간의 결합이 이차원구조에서 삼차원구조로 변화되어 튜브 형태로 구현되는 그래핀 모형의 모델링 방법을 제공할 수 있다.
또한, 수소가 부동태화된 그래핀 모형에 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 안정화 과정을 거침으로써 기계적 물성 및 전기적 물성이 이상적인 형태의 그래핀 모형을 획득할 수 있다.

Description

그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법{3D Modeling Method by Surface Modification of Graphene Model}
본 발명은그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소 원자로 만들어진 원자 크기의 벌집 형태의 2차원 평면을 이루고 있는 구조를 가진 소재이다. 이러한 그래핀은 현존하는 소재 중 소재 특성이 가장 뛰어난 소재로 평가 받는다.
이러한 그래핀은 그래핀이 단독으로만 사용되는 경우만이 있는 것이 아니라 다른 기질이나 모제(substrate)와 결합되어 사용될 수 있다.
한편, 그래핀과 같은 나노 물질의 물성은 나노 물질로 먼저 직접 실험을 하지 않더라도 원자 모델을 만들어 내면 이를 통해 나노 물질의 물성을 예측하는 것이 가능하다.
따라서, 나노 물질의 물성을 예측하기 위하여 기하학적 모델링이 아닌 탄소 원자간의 실제적인 상호작용을 고려한 그래핀 모형의 원자 모형을 모델링하는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-2036912호(2019.11.26 공고)
본 발명의 목적은, 분자동력학이 적용되어 탄소 원자간의 실제적인 상호작용이 고려된 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 그래핀 등으로 마련되는 나노 필름에 수소가 부동태화되어 그래핀 탄소원자 간의 결합이 이차원구조에서 삼차원구조로 변화되어 튜브 형태로 구현되는 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 수소가 부동태화된 그래핀 모형에 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 안정화 과정을 거침으로써 기계적 물성 및 전기적 물성이 이상적인 형태의 그래핀 모형을 획득할 수 있는 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 제공하는 데 있다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 수소가 부동태화(Passivation)된 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법으로서, 그래핀 모형의 크기 및 원자수 및 부동태화 수소 원자수가 입력되는 제1단계; 상기 제1단계로부터 입력된 데이터에 따라 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형이 획득되는 제2단계; 상기 제2단계로부터 획득된 이차원 그래핀 모형에 분자동력학 기반의 AIREBO(Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order) 포텐셜을 적용하여 삼차원 그래핀 모형이 획득되는 제3단계; 상기 제3단계로부터 획득된 3차원 그래핀 모형으로부터 각 원자들의 위치 좌표를 추출하여 최종 모형이 획득되는 제4단계; 를 포함하는 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제2단계에서 수소가 부동태화되는 위치는 난수 발생기를 통하여 임의적으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 제3단계는 상기 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 일정 시간 이상의 안정화(Relaxation) 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따른 상기 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 코드들이 저장되는 컴퓨터 판독가능 기록매체에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 의해, 분자동력학이 적용되어 탄소 원자간의 실제적인 상호작용이 고려된 그래핀 모형의 모델링 방법을 구현할 수 있다.
또한, 그래핀 등으로 마련되는 나노 필름에 수소가 부동태화되어 그래핀 탄소원자 간의 결합이 이차원구조에서 삼차원구조로 변화되어 튜브 형태로 구현되는 그래핀 모형의 모델링 방법을 제공할 수 있다.
또한, 수소가 부동태화된 그래핀 모형에 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 안정화 과정을 거침으로써 기계적 물성 및 전기적 물성이 이상적인 형태의 그래핀 모형을 획득할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법에 대한 순서도이며,
도 2 는 본 발명에 따른 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형의 예시를 나타낸 도면이며,
도 3 은 본 발명에 따른 수소가 부동태화되고 안정화 과정을 거친 삼차원 그래핀 모형의 예시를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비한다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 출원에서 설명하는 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법은 제어유닛, 연산유닛 등이 구비된 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 구체적인 각 단계의 수행주체는 신속한 시뮬레이션 및 연산을 위한 각 단계를 수행하는 분리 구성일 수 있으며, 전체 단계를 수행하는 모듈화된 일체 구성일 수도 있다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법에 대한 순서도이며, 도 2 는 본 발명에 따른 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형의 예시를 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명에 따른 수소가 부동태화되고 안정화 과정을 거친 삼차원 그래핀 모형의 예시를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3 을 참조하면, 본 발명은, 수소가 부동태화(Passivation)된 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법으로서, 그래핀 모형의 크기 및 원자수 및 부동태화 수소 원자수가 입력되는 제1단계(S10); 상기 제1단계(S10)로부터 입력된 데이터에 따라 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형이 획득되는 제2단계(S20); 상기 제2단계(S20)로부터 획득된 이차원 그래핀 모형에 분자동력학 기반의 AIREBO(Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order) 포텐셜을 적용하여 삼차원 그래핀 모형이 획득되는 제3단계(S30); 상기 제3단계(S30)로부터 획득된 3차원 그래핀 모형으로부터 각 원자들의 위치 좌표를 추출하여 최종 모형이 획득되는 제4단계(S40); 를 포함한다.
여기서, 상기 제2단계(S20)에서 수소가 부동태화되는 위치는 난수 발생기를 통하여 임의적으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 제3단계(S30)는 상기 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 일정 시간 이상의 안정화(Relaxation) 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따른 상기 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 코드들이 저장되는 컴퓨터 판독가능 기록매체에 의해서도 달성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법의 단계 및 구체적 과정을 예를 들어 설명한다.
제1단계(S10) - 그래핀 모형의 입력 사항 설정
1. 이차원 그래핀 모형의 크기 결정 - Lx, Ly (x 및 y 방향의 길이)
unitcell의 x 방향의 수 : Nx=Lx/lx
unitcell의 y 방향의 수 : Ny=Ly/ly
lx, ly는 unitcell의 x 및 y 방향의 길이
2. 부동태화되는 수소 원자의 개수 ( Nh ) 결정
상기와 같은 그래핀 모형의 기초 설정 사항이 연산 장치로 입력된다.
제2단계(S20) - 이차원 그래핀 모형 생성
1. 제1단계(S10)에서 주어진 조건으로 도 2 와 같은 이차원 모형 준비
2. 모든 탄소 및 수소원자들의 3차원 좌표의 좌표 추출(Å 단위)
녹색 탄소 원자 좌표 - ( Px, Py, 0 ),
빨간색 수소 원자 좌표 - ( Qx, Qy, 1 )
3. 수소가 이차원 그래핀에 부동태화 될 경우, 수소원자와 탄소원자의 거리는 약 1Å로 설정됨
4. 수소원자들이 부동태화되는 위치는 난수를 발생하여 임의로 결정
상기와 같은 과정을 통해 도 2 와 같은 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형이 생성된다.
제3단계(S30) - 삼차원 그래핀 모형 생성
1. 분자동력학 기반의 AIREBO 포텐셜 준비
2. Airebo 포텐셜은 다이아몬드와 같은 탄소구조의 거동을 묘사하기 위해 경험적으로 만들어진 것으로 탄소원자 간 결합차수의 변화를 묘사할 수 있어 보다 실제에 가까운 거동 묘사가 가능하므로 수소와 탄소 원자들로 이루어진 물질에 가장 적합함
3. 아무런 추가적인 힘, 압력 등을 가하지 않고 충분한 시간 동안에 안정화 (relxation) 실행
상기와 같은 과정을 통해 도 3 과 같은 수소가 부동태화된 삼차원 그래핀 모형이 생성된다. 즉, 안정화를 통하여 수소원자들이 있는 반대 방향으로 이차원 모형의 굴절이 형성되며 전체 모형은 대략 튜브 형태로 형성된다. 또한 양 끝의 모서리는 서로 접촉되거나 열린 상태로 조정이 가능하며, 제1단계에서 입력되는 수소 원자의 밀도(그래핀 모형의 크기 대비 수소 원자의 수)에 따라 튜브 모형의 굴절 정도를 조절할 수 있다.
정리하면, 탄소원자로 이루어진 그래핀 모형에 수소원자가 흡착되어 부동태화됨으로써 그래핀의 탄소원자간의 결합이 SP2에서 SP3로 변화하여 평면구조가 정사면체구조로 변화되며, 이 경우 이차원 그래핀 모형의 두면중 한쪽 면에서 수소 흡착이 일어나게 되어 도 3 과 같은 곡면 구조로 변화되어 최종적으로 삼차원의 수소 부동태화된 그래핀 튜브 모형이 생성되는 것이다.
제4단계(S40) - 최종 모형 정보 획득
1. 상기 3단계(S30)의 안정화 과정 이후의 모든 원자들의 위치 좌표들을 출력 및 저장하여 최종 모형이 획득됨
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법은, 분자동력학이 적용되어 탄소 원자간의 실제적인 상호작용이 고려된 그래핀 모형의 모델링 방법을 구현할 수 있다.
또한, 그래핀 등으로 마련되는 나노 필름에 수소가 부동태화되어 그래핀 탄소원자 간의 결합이 이차원구조에서 삼차원구조로 변화되어 튜브 형태로 구현되는 그래핀 모형의 모델링 방법을 제공할 수 있다.
또한, 수소가 부동태화된 그래핀 모형에 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 안정화 과정을 거침으로써 기계적 물성 및 전기적 물성이 이상적인 형태의 그래핀 모형을 획득할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 수소가 부동태화(Passivation)된 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법으로서,
    그래핀 모형의 크기 및 원자수 및 부동태화 수소 원자수가 입력되는 제1단계;
    상기 제1단계로부터 입력된 데이터에 따라 수소가 부동태화된 이차원 그래핀 모형이 획득되는 제2단계;
    상기 제2단계로부터 획득된 이차원 그래핀 모형에 분자동력학 기반의 AIREBO(Adaptive Intermolecular Reactive Empirical Bond Order) 포텐셜을 적용하여 삼차원 그래핀 모형이 획득되는 제3단계;
    상기 제3단계로부터 획득된 3차원 그래핀 모형으로부터 각 원자들의 위치 좌표를 추출하여 최종 모형이 획득되는 제4단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
    그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계에서 수소가 부동태화되는 위치는 난수 발생기를 통하여 임의적으로 결정되는 것을 특징으로 하는
    그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는 상기 AIREBO 포텐셜이 적용된 후 일정 시간 이상의 안정화(Relaxation) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 그래핀 모형의 표면 개질에 의한 삼차원 모델링 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 코드들이 저장되는 컴퓨터 판독가능 기록매체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102036912B1 (ko) 2017-12-28 2019-11-26 한국세라믹기술원 계면 불순물을 포함하는 그래핀 원자 모델 생성 장치 및 방법 그리고 이를 구현하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체

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