[논문]분자동역학을 이용한 고분자 주쇄의 길이 변화에 따른 기체 투과 성능 연구

강호성; 박치훈

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.1.67

분자동역학을 이용한 고분자 주쇄의 길이 변화에 따른 기체 투과 성능 연구
Investigation of Gas Transport Properties of Polymeric Membranes having Different Chain Lengths Via Molecular Dynamics (MD) 원문보기 논문타임라인

멤브레인 = Membrane Journal, v.28 no.1, 2018년, pp.67 - 74

강호성 (경남과학기술대학교(GNTECH) 미래융복합기술연구소 에너지공학과) , 박치훈 (경남과학기술대학교(GNTECH) 미래융복합기술연구소 에너지공학과)

초록
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고분자 분리막의 분자동역학 연구에서는 구성 원자 개수가 많고 투과 거동 계산시 긴 시간을 필요로 하기 때문에 적절한 고분자 주쇄의 길이를 선택하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 이러한 고분자 주쇄 길이와 투과 거동 간의 상관관계가 실제 분자동역학에서 어떻게 나타나는지 조사를 하고자 하였다. 널리 알려진 상용 고분자 Kapton(R) 폴리이미드 구조를 이용하여 분자동역학을 수행하였고 기체 투과 거동을 분석하였다. 고분자 주쇄의 움직임은 그 길이와 큰 연관성이 없었으며, 일반적인 인식과 달리 짧은 주쇄 길이를 갖고 있다고 해서 더 활발하게 움직이는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 고분자 주쇄의 말단기는 상대적으로 움직이기 쉬울 것이라는 예상과 달리, 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자보다 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다. 최종적으로 기체 분자의 투과 성능에서도 고분자 주쇄의 길이 및 말단기에 따른 영향은 관찰되지 않았다. 이는 기체 투과 전산모사에서 많이 언급되는 말단기 효과를 실제 전산모사에 적용할 경우, 각각의 모델 특성에 따라 제한적으로 적용을 하고 이에 대한 검증 과정을 반드시 수행하여야 한다는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the molecular dynamics study of polymeric membranes, it is very important to select the proper length of the polymer main chain because it requires a large number of constituent atoms and a long time to simulate the permeation behavior. In this study, we tried to investigate how the correlation between polymer main chain length and permeation behavior appears in actual molecular dynamics simulation results. Molecular dynamics were performed using the widely known commercial polymer Kapton(R) polyimide structure and the gas permeation behavior was simulated. The movement of the polymer main chain was not related to its length and the short main chain length did not act more actively. In addition, unlike the prediction that the end group of the polymer main chain is relatively easy to move, there are many cases where the atoms located at the middle of the polymer main chains have a higher movement than the atoms located at the end groups. Finally, permeabilities of the gas molecules was not affected by the length of the main chain and the end groups of the polymer, which indicates that the end effect should be carefully mentioned and followed by the verification process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 실제 분자동역학에서 고분자 주쇄 길이와 투과 거동 간의 상관관계를 규명하기 위하여, 널리 알려진 상용 고분자인 Kapton® 폴리이미드의 분자구조를 이용하여 분자동역학을 수행하고 기체 투과 거동을 분석하였다. 이때 주쇄 길이 이외에 영향을 줄 수 있는 요소들을 최소화하기 위하여, 먼저 하나의 긴 고분자 주쇄를 이용하여 3D 모델을 생성한 후, 기체 분자를 도입하고 해당 모델의 주쇄를 절단해 나가는 과정을 통하여, 절단 부위 이외에는 모든 구조가 동일한 모델을 생성시켜 분자동역학을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서 고분자 주쇄 길이에 따른 기체 투과 거동을 분석하기 위하여, Kapton® polyimide를 바탕으로 하여 다양한 주쇄 길이를 갖는 고분자 3D 모델을 생성하였다. 이때 초기 구조에 따른 영향을 최소화하기 위하여, 120개의 repeat unit을 갖는 고분자 주쇄를 이용하여 3D 모델을 생성한 후 각각의 기체 분자를 도입하고, 이를 초기 구조로 하여 고분자 주쇄를 단계적으로 잘라 가면서 60개의 repeat unit을 갖는 두 개의 고분자 주쇄로 이루어진 모델 및 30개의 repeat unit으로 이루어진 네 개의 고분자 주쇄로 이루어진 모델을 생성하였다. 이러한 모델들을 바탕으로 기체 투과 전산모사를 수행하고, 고분자 주쇄 및 말단기의 움직임과 기체투과 성능과의 상관관계를 파악하고자 하였다.

대상 데이터

기체투과 전산모사를 위해 본 연구에서는 H₂, O₂, N₂의 세 가지 기체 구조를 선정하였다. 이들 기체들은 non-condensable 기체들로서 고분자 화학구조와 큰 interaction을 가지지 않기 때문에, 기체 분자가 고분자 주쇄의 움직임에 큰 영향을 주지 않고, 흡착 거동에 의한 영향도 최소화할 수 있기 때문에 본 전산모사에서 사용되었다.

이론/모형

각 단계의 마지막에는 Geometry optimization 기능을 이용하여 구조 안정화를 수행하였다. 이렇게 생성된 3D amorphous model이 실제 고분자에 근접한 구조를 갖게 하기 위하여 compress-relaxation protocol을 활용하였고[18,19], 최종적으로 기체 투과 거동을 분석하기 위한 Kapton® 폴리이미드 고분자 분리막 3D모델(Fig. 2)을 얻을 수 있었다.

성능/효과

이러한 모델들을 바탕으로 기체 투과 전산모사를 수행하고, 고분자 주쇄 및 말단기의 움직임과 기체투과 성능과의 상관관계를 파악하고자 하였다. 고분자 주쇄의 움직임은 주쇄의 길이와 큰 연관성이 없는 것으로 나타났으며, 일반적인 인식과 달리 짧은 주쇄 길이를 갖고 있다고 해서 더 활발하게 움직이는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 이는 말단기의 움직임에서도 동일하게 나타났는데, 고분자 주쇄의 말단에 위치할 경우 상대적으로 움직이기 쉬울 것으로 판단되나, 실제 움직임을 분석하였을 경우 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자와 동일하거나 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다.
이는 말단기의 움직임에서도 동일하게 나타났는데, 고분자 주쇄의 말단에 위치할 경우 상대적으로 움직이기 쉬울 것으로 판단되나, 실제 움직임을 분석하였을 경우 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자와 동일하거나 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다. 기체 분자의 투과 성능을 분석하였을 때도 마찬가지로 고분자 주쇄의 길이에 따른 영향은 관찰되지 않았다. 이는 결론적으로 기체 투과 전산모사에서 많이 언급되는 말단기 효과, 즉 상대적으로 움직이기 쉬운 말단기가 모델 내에 많이 분포하여 기체 분자의 움직임이 활발해져서 높은 투과 성능을 갖는 효과를 실제 전산모사에 적용할 경우, 각각의 모델 특성에 따라 제한적으로 적용을 하고 이에 대한 검증 과정을 반드시 수행해야 할 것이다.
고분자 주쇄의 움직임은 주쇄의 길이와 큰 연관성이 없는 것으로 나타났으며, 일반적인 인식과 달리 짧은 주쇄 길이를 갖고 있다고 해서 더 활발하게 움직이는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 이는 말단기의 움직임에서도 동일하게 나타났는데, 고분자 주쇄의 말단에 위치할 경우 상대적으로 움직이기 쉬울 것으로 판단되나, 실제 움직임을 분석하였을 경우 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자와 동일하거나 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다. 기체 분자의 투과 성능을 분석하였을 때도 마찬가지로 고분자 주쇄의 길이에 따른 영향은 관찰되지 않았다.

후속연구

기체 분자의 투과 성능을 분석하였을 때도 마찬가지로 고분자 주쇄의 길이에 따른 영향은 관찰되지 않았다. 이는 결론적으로 기체 투과 전산모사에서 많이 언급되는 말단기 효과, 즉 상대적으로 움직이기 쉬운 말단기가 모델 내에 많이 분포하여 기체 분자의 움직임이 활발해져서 높은 투과 성능을 갖는 효과를 실제 전산모사에 적용할 경우, 각각의 모델 특성에 따라 제한적으로 적용을 하고 이에 대한 검증 과정을 반드시 수행해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 확인한 고분자 주쇄 길이와 투과 거동 간의 상관관계는 무엇인가?	널리 알려진 상용 고분자 Kapton(R) 폴리이미드 구조를 이용하여 분자동역학을 수행하였고 기체 투과 거동을 분석하였다. 고분자 주쇄의 움직임은 그 길이와 큰 연관성이 없었으며, 일반적인 인식과 달리 짧은 주쇄 길이를 갖고 있다고 해서 더 활발하게 움직이는 것은 아니라는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 고분자 주쇄의 말단기는 상대적으로 움직이기 쉬울 것이라는 예상과 달리, 말단에 위치하지 않은 경우라도 말단기에 위치한 원자보다 더 높은 움직임을 보이는 경우도 많았다. 최종적으로 기체 분자의 투과 성능에서도 고분자 주쇄의 길이 및 말단기에 따른 영향은 관찰되지 않았다. 이는 기체 투과 전산모사에서 많이 언급되는 말단기 효과를 실제 전산모사에 적용할 경우, 각각의 모델 특성에 따라 제한적으로 적용을 하고 이에 대한 검증 과정을 반드시 수행하여야 한다는 것을 의미한다.
	분자 동역학의 기본적인 목적은 무엇인가?	특히, 분자동역학 분야의 경우, 원자를 하나의 입자로 간주하고, 화학결합을 입자간에 연결된 스프링과 같이 해석하여 계산을 하기때문에 원자의 개수, 즉 전체 시스템의 크기에 따라 계산량이 기하급수적으로 늘어나게 된다[1,2]. 또한, 분자 동역학은 기본적으로 모사대상의 시간에 따른 거동을 해석하는 것을 목적으로 하기 때문에, 컴퓨터 기술 발달로 인해 이전에 비하여 더 큰 시스템을 더 오랜 시간 범위까지 계산할 수 있게 됨으로써, 관련 연구들이 폭발적으로 늘어나고 있는 추세이다[3-8].
	고분자 분리막의 분자동역학 연구에서 고분자 주쇄의 길이 선택이 중요한 이유는 무엇인가?	고분자 분리막의 분자동역학 연구에서는 구성 원자 개수가 많고 투과 거동 계산시 긴 시간을 필요로 하기 때문에 적절한 고분자 주쇄의 길이를 선택하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 이러한 고분자 주쇄 길이와 투과 거동 간의 상관관계가 실제 분자동역학에서 어떻게 나타나는지 조사를 하고자 하였다.

참고문헌 (21)
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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