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  • 기사등록 2021-02-16 13:00:04
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▲ KAIST 바이오및뇌공학과 예종철 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 형상과 조성 분포의 복원 성능을 획기적으로 향상시킨 인공지능 기술을 개발했다.



[기계신문] 나노 기술은 의료, 바이오, 항공 등 여러 분야에서 적용 사례가 늘어나고 있다. 특히 재료과학 분야에서 나노입자는 디스플레이, 바이오 영상, 촉매제 등 다양한 역할을 하고 있으며, 특히 뛰어난 물리 화학적 성질을 지닌 양자점(Quantum Dot)을 이해하기 위해서는 나노스케일 단위의 시각화가 필수적이다.


KAIST 바이오및뇌공학과 예종철 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 형상과 조성 분포의 복원 성능을 획기적으로 향상시킨 인공지능 기술을 개발했다. 공동연구팀은 에너지 분산형 X선 분광법을 주사 투과전자현미경(STEM)과 결합한 시스템을 활용했다.


이번 연구를 통해 나노입자를 형성하고 있는 물질의 형상과 조성 분포를 정확하게 재구성함으로써, 실제 상용 디스플레이를 구성하는 양자점(퀀텀닷)과 같은 반도체 입자의 정확한 분석에 도움을 줄 것으로 기대된다.



▲ 상용 퀀텀닷의 투사 데이터 및 개발한 알고리즘으로 복원한 3차원 복원 결과



에너지 분산형 X선 분광법(이하 EDX)은 나노입자의 성분 분석에 주로 이용되며, X선과 반응한 물체의 성분에 따라 고유한 방출 스펙트럼을 보인다는 점에서 화학적 분석이 가능하다.


퀀텀닷 및 배터리 등 다양한 나노 소재의 열화 메커니즘과 결함을 해석하기 위해 형상 및 조성 분포 분석이 가능한 이 분광법의 필요성과 중요도가 급증하고 있다.


그러나 EDX 측정 신호의 해상도를 향상하기 위해 나노 소재를 오랜 시간 전자빔에 노출하면 소재의 영구적인 피해가 발생한다. 이로 인해 나노입자의 3차원 영상화를 위한 투사(projection) 데이터 획득 시간이 제한되며, 한 각도에서의 스캔 시간을 단축하거나 측정하는 각도를 줄이는 방식이 사용된다.


기존 방식으로 획득된 투사 데이터를 이용해 3차원 영상을 복원할 시, 미량 존재하는 원자 신호의 측정이 불가능하거나 복원 영상의 정밀도와 해상도가 매우 낮다.


공동연구팀이 자체 개발한 인공지능 기반의 커널 회귀(kernel regression)와 투사 데이터 향상(projection enhancement)은 정밀도와 해상도를 획기적으로 발전시켰다. 연구팀은 측정된 데이터의 분포를 네트워크가 스스로 학습하는 인공지능 기반의 커널 회귀를 통해 스캔 시간이 단축된 투사 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 높인 데이터를 제공하는 네트워크를 개발했다.


또, 개선된 고화질의 EDX 투사 데이터를 기반으로 기존의 방법으로는 불가능했던 적은 수의 투사 데이터로부터 더욱 정확한 3차원 복원 영상을 제공하는 데 성공했다.



▲ 퀀텀닷 합성 시, 코어 제작 과정은 동일하지만 ZnSe / ZnS 쉘(shell)의 형태가 다르도록 쉘 코딩 과정에 차이를 두어 생성한 2종류의 합성QD1(1열)과 합성QD2(2열)를 개발한 알고리즘으로 복원한 결과 비교



연구팀이 개발한 알고리즘은 기존의 EDX 측정 신호 기반 3차원 재구성 기법과 비교해 나노입자를 형성하고 있는 원자의 형상과 경계를 뚜렷하게 구별했으며, 복원된 다양한 코어-쉘(core-shell) 구조의 퀀텀닷 3차원 영상이 샘플의 광학적 특성과 높은 상관관계를 나타내는 것이 확인됐다.


예종철 교수는 “이번 연구에서 개발한 인공지능 기술을 통해 상용 디스플레이의 핵심 기반이 되는 퀀텀닷 및 반도체 소자의 양자 효율과 화학적 안정성을 더욱 정밀하게 분석할 수 있다”고 설명했다.


한편, 예종철 교수 연구팀의 한요섭 박사, 차은주 박사과정, 정형진 석사과정과 삼성종합기술원 이은하 전문연구원팀의 장재덕, 이준호 전문연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)’ 2월 8일자 온라인판에 게재됐다.


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권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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