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  MD Simulation알고리즘 개발 및 응용에 관해 소개해 드립니다.

 
1. MD Simulation의 발전
 
MD simulation에 관한 연구는 1950년대 후반 Alder와 Wainwright에 의해 이루어졌다.

그 이후 MD simulation은 crystal growth, indentation, tribology, low-pressure diamond synthesis와 laser interaction에 관한 영역으로 넓게 적용되었다. 하지만 절삭 등 기계공학에 적용된 것은 최근의 일이다. 1980년대 후반 Lawrence Livermore National Laboratories(LLNL)의 한 연구실에서 다이아몬드 툴로 Cu 소재를 Nano단위로 절삭하는 simulation을 수행하였다. 이 일을 계기로 많은 연구자들이 MD simulation을 실제의 Nano단위의 절삭에 응용하기 시작하였다. 일본에서 주로 연구가 이루어 졌으며 대표적으로 Ikawa, Shimada와 Inamura등의 일본 학자가 대표적이다.

Belak(LLNL)은 embedded-atom method를 사용하여 2D, 3D로 Cu를 절삭하는 연구를 하였고 Si에 대한 연구도 수행하였다. Ikawa와 Shimada는 2D로 Cu를 절삭할 때 edge radius와 칩 생성 과정의 최소 절삭 깊이에 대해 연구하였다.

Maekawa 등은 Nano 단위 절삭에서 area-restricted molecular dynamic(ARMD)에 대한 타당성을 보고하였고, Komanduri 등 많은 학자들이 툴과 소재와 관련된 여러가지 공정변수의 변화에 따른 simulation을 보고하였다.

MD simulation의 최대의 단점인 엄청난 계산 시간을 줄이기 위한 여러 가지 방법이 계발되었다. 하지만 MEMS 레벨의 Simulation은 불가능하다. 현재 대부분의 simulation은 수 Nano 정도의 크기에 대한 것이다. 컴퓨터 기술의 발전과 MD simulation 테크닉의 발전에 따라 MEMS로의 적용이 가능할 것으로 사료된다.

MD simulation의 목적은 눈으로 관찰하는 것이 불가능한 미세 단위의 거동양상을 확인하는 것이 그 주목적이라 하겠다. 현재 Nanoindentaion등의 실험기술이 발전함에 따라서 simulation과 실험의 병행이 가능해지고 있다.
 
2. MD Simulation 이론 및 해석결과
 
Molecular Dynamic Simulation은 분자(원자)단위로 입자사이의 분자간력을 계산하여 거동양상을 연구하는 분야이다.
분자간력은 Potential 함수를 사용하여 구할 수 있다.
Potential 함수는 적용 분야에 따라 형식을 달리한다. 현존하는 모든 분자(원자)에 대한 포텐셜이 알려져 있지 않고 물질에 따른 상수 값의 유무에 따라 적용하는 포텐셜 식 아래 표와같이 달라진다.
 
(Morse Potential Function)
Potential Function Atomic pair
Lennard-Jones Ar, CH4, O2, H2
Morse Fe, Cu, P, Fe-P, C, Cu-C
EAM Ni, Al, G3, Au, Cu, Ag
Finnis-Sinclair α-Fe, Cu, V, Mo, W
Tersoff Si, GaAs, Ge
Stillinger-Weber Si, GaAs, Ge, C
 
Simulation code는 Verlet 수치적분 알고리즘을 사용하고, 주기경계조건, 온도 일정조건등의 부가적인 알고리즘을 사용하여 만들어진다.
현재 우리 실험실에서는 Morse Potential을 사용하여 나노 압입, 절삭 Simulation을 수행하였다.
 
Nanoindentation simulation(material :Cu)
 
3. Rheology 성형공정에서 고상입자의 편석제어 기술
 
고상과 액상이 공존하는 소재(Rheology)의 성형공정중에 고상입자의 편석제어에 대한 simulation code를 설정하여 실험 데이터와의 비교를 통하여 Rheology 고상입자의 편석 예측을 위한 code를 완성하는 것을 목표로 한다.
DLVO(Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek)이론을 이용하여 Rheology에 MD simulation을 적용하는 연구가 진행중이고, Rheology 알맞은 새로운 Potential의 설정 및 검증도 진행중이다.