생성형 AI는 결정의 대칭 규칙부터 원자 위치까지 어떻게 정할까
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새 결정의 원자 위치를 한꺼번에 그려 넣을 수 있을까? J.Z. 등 연구진은 동료 심사 전 사전 공개 논문에서 대칭 규칙과 원소가 들어갈 자리를 먼저 정하고, 격자와 원자 위치의 수치를 나중에 생성하는 UFO-MGen을 제시했다.
AI 개념 이미지: 결정의 대칭 틀에 원자를 배치하고 안정성을 계산으로 평가하는 과정을 나타낸다. 실제 연구 장비나 생성된 결정의 사진은 아니다.
생성형 AI 결정 구조 설계의 출발점
결정 구조는 원자 배열이 일정한 규칙에 따라 반복되는 모습이다. 가능한 배열이 매우 많고 원소의 종류와 대칭 규칙도 맞아야 하므로, 새로운 배열을 제안하려면 무엇을 먼저 선택하고 무엇을 수치로 채울지 정해야 한다.
연구진이 사용한 ‘와이코프 표현’은 결정의 대칭 규칙, 격자의 크기와 모양, 원소가 놓일 자리와 좌표를 묶어 구조를 기술한다. 여기에는 대칭이나 원소처럼 종류를 고르는 정보와 격자·좌표처럼 연속적인 값으로 정하는 정보가 함께 들어 있다.
원자 배열은 어떤 순서로 완성되나
UFO-MGen은 먼저 구조의 기본 틀을 고른다. 다음으로 화학적 제약을 고려해 그 틀의 원자 자리에 원소를 배정하고, 마지막으로 격자와 원자 위치에 필요한 수치를 생성한다. 건물의 배치도를 정하고 치수를 채우는 순서에 빗댈 수 있다.
생성한 수치를 정해 둔 자리에 넣은 뒤 대칭 규칙을 적용하면 반복되는 전체 결정 구조가 만들어진다. 즉 결과물은 원자 몇 개의 위치가 아니라, 반복 규칙까지 갖춘 배열이다.
그 배열이 안정적인지는 어떻게 알까
기존 결정 안정성 평가는 주로 절대온도 0K에서 계산한 에너지를 기준으로 삼았다. 연구진에 따르면 이 기준은 열역학적 안정성을 보여주지만, 원자가 진동할 때나 온도가 있는 조건에서 배열이 유지되는지까지 알려주지는 않는다.
모양이 완성됐다고 안정성까지 확인된 것은 아니다. 연구진은 에너지로 보는 열역학적 안정성, 원자의 집단적 진동에 관한 안정성, 일정 온도에서 배열을 유지하는 열적 안정성을 함께 평가했다. 진동 검사에서는 유의미한 허수 진동수가 없는지 살폈다.
열적 안정성은 연구진이 300K에서 10ps 동안 원자의 움직임을 계산해 원래 배열이 유지되는지로 판정했다. 이 조건에서 통과했다는 말은 실제 소재를 만들어 장기간 사용했을 때의 성능을 확인했다는 뜻까지 포함하지 않는다.
J.Z. 등 연구진이 조건 없이 생성한 결정 구조 5만 개를 평가하자, 사용한 세 원자 간 상호작용 계산 모델에 따라 전체 안정성 평가 통과율이 각각 25.5%, 45.5%, 44.1%로 달랐다. 같은 후보군을 읽더라도 어떤 계산 모델의 판정인지 함께 봐야 하는 이유다.
연구진은 선별에 쓴 모델과 별도로, 학습 범위 안팎에서 생성한 구조에 제일원리 계산을 적용해 안정성 평가 기준을 점검했다. 후보를 많이 생성하고 선별하는 단계와 일부 구조를 다른 계산으로 확인하는 단계를 구분한 것이다.
아이컨택은 적층제조용 소재 후보를 살펴볼 때 생성 방식만큼 안정성 판정의 조건과 사용 모델을 확인할 만하다고 본다.
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