KAIST, AI로 3차원 고해상도 나노입자 형상화 기술 개발

투과 전자현미경 X선 3차원 분광 영상에 AI 적용

[이데일리 강민구 기자] 인공지능 기술을 활용해 디스플레이를 구성하는 양자점(퀀텀닷)과 같은 반도체 입자를 정확하게 분석할 수 있게 됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 예종철 바이오뇌공학과 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동연구를 통해 나노입자의 3차원 형상과 조성 분포의 복원 성능을 높인 인공지능 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

상용 퀀텀닷의 투사 데이터와 개발한 알고리즘으로 복원한 3차원 복원 결과.(자료=한국과학기술원)

연구팀은 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 주사 투과전자현미경(STEM)과 결합한 시스템을 활용했다.

EDX는 나노입자의 성분 분석에 주로 쓰인다. X선과 반응한 물체의 성분에 따라 고유한 방출 스펙트럼을 보인다는 점에서 화학적인 분석이 가능하다. 퀀텀닷이나 배터리 등 다양한 나노 소재의 열화 메커니즘과 결함을 해석하려면 이 분광법이 필요하다.

그러나 EDX 측정 신호의 해상도를 높이기 위해 나노 소재를 오랜 시간 전자빔에 노출하면 소재에 피해가 발생한다. 나노입자의 3차원 영상화를 위한 투사 데이터 획득 시간이 제한되며, 한 각도에서의 스캔 시간을 단축하거나 측정하는 각도를 줄이는 방식이 사용된다. 기존 방식으로 얻은 투사 데이터를 이용해 3차원 영상을 복원하면 미량 존재하는 원자 신호의 측정이 불가능하거나 복원 영상의 정밀도와 해상도가 낮게 나타났다.

연구팀은 자체 개발한 인공지능 기반의 커널 회귀와 투사 데이터 향상 기술을 활용해 정밀도와 해상도를 높였다. 측정한 데이터의 분포를 네트워크가 스스로 학습하는 인공지능 기반의 커널 회귀를 통해 스캔 시간이 단축된 투사 데이터의 신호 대 잡음비(SNR)를 높인 데이터를 제공하는 네트워크를 개발하고, 개선된 고화질의 EDX 투사 데이터를 기반으로 기존 방법으로는 불가능했던 적은 수의 투사 데이터로부터 더 정확한 3차원 복원 영상을 제공했다.

연구팀이 개발한 알고리즘은 기존 EDX 측정 신호 기반 3차원 재구성 기법과 비교해 나노입자를 형성하는 원자의 형상과 경계를 뚜렷하게 구별했다.

예종철 교수는 “이번에 개발한 인공지능 기술을 통해 상용 디스플레이의 기반이 되는 퀀텀닷과 반도체 소자의 양자 효율과 화학적 안정성을 더 정밀하게 분석할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 머신 인텔리전스(Nature Machine Intelligence)’에 지난 8일자 온라인판에 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)