[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 생명화학공학과 정유성 교수 연구팀이 딥러닝을 활용해 소재의 합성 가능성을 높은 정확도로 예측하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

신소재 설계의 궁극적인 목표는 소재를 설계한 후 실험적으로 합성하는 것이지만 현실적으로는 새롭게 설계된 대부분의 소재가 실제 합성 단계에서 성공하지 못하고 버려지는 경우가 많다. 이는 불필요한 시간과 자원의 낭비를 초래한다.

소재의 합성 여부는 반응 조건, 열역학, 반응 속도, 소재 구조 등 다양한 요인에 의해서 결정되기 때문에 소재의 합성 가능성을 예측하는 것은 매우 도전적인 과제로 여겨져 왔다.

연구진이 개발한 소재 합성 가능성 예측 모델 모식도[사진=카이스트] 2020.12.21 memory4444444@newspim.com

정유성 교수 연구팀이 개발한 소재 합성 가능성 예측기술은 기존 합성이 보고된 고체 소재들의 구조적 유사성을 그래프 합성 곱 신경망(GCN)으로 학습해 새로운 소재의 합성 가능성을 예측할 수 있다.

현재까지 합성이 안 된 물질이라 하더라도 합성이 성공할 가능성은 존재하기 때문에 참값(레이블)을 이미 알고 학습을 진행하는 일반적인 지도학습과 달리 양의 레이블(+)을 가진 데이터와 레이블이 없는 데이터(Positive-Unlabeled, P-U)를 이용한 분류 모델 기반의 준 지도학습을 사용했다.

5만여종에 달하는 합성이 보고된 물질과 8만여종의 가상 물질로 이뤄진 '머터리얼스 프로젝트(Materials Project, MP)'라는 소재 관련 데이터베이스를 이용해 모델을 구축했다

이 신기술을 활용한 결과 소재들의 합성 가능성을 약 87% 정확하게 예측할 수 있었다.

이미 합성된 소재들의 열역학적 특성을 분석한 결과 열역학적 안정성만으로는 실제 소재의 합성 가능성을 예측할 수 없다는 사실을 알아냈다.

머터리얼스 프로젝트(MP) 데이터베이스 내에 합성 가능성 점수가 가장 높은 100개의 가상 물질에 대해 문헌조사를 실시한 결과 이들 중 머터리얼스 프로젝트(MP) 데이터베이스에는 합성 여부가 아직 알려지지 않았지만 실제로 합성돼 논문에 보고된 소재만도 71개에 달하는 것을 확인했다.

이를 통해 모델의 높은 정확도를 추가로 입증했다.

정유성 교수 [사진=카이스트] 2020.12.21 memory4444444@newspim.com

정 교수는 "빠른 신소재 발견을 위해 다양한 소재 설계 프레임워크가 존재하지만 정작 설계된 소재의 합성 가능성에 관한 판단은 전문가 직관의 영역으로 남아 있다ˮ며, "이번에 개발한 합성 가능성 예측 모델은 새로운 소재를 설계할 때 실제로 합성 가능성을 실험 전에 미리 판단할 수 있어 새로운 소재의 개발시간을 단축하는 데 큰 도움이 될 것ˮ이라고 말했다.

KAIST 생명화학공학과 장지돈 박사과정과 구근호 박사후연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구결과는 미국화학회가 발행하는 국제학술지 '미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)' 온라인 판에 지난 10월 26일 실렸다.

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