AI로 3차원 고해상도 나노입자 영상화
AI로 3차원 고해상도 나노입자 영상화
  • 함예솔
  • 승인 2021.03.04 13:00
  • 조회수 1187
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KAIST 바이오및뇌공학과 예종철 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동 연구를 통해 나노입자의 3차원 형상과 조성 분포의 복원 성능을 획기적으로 향상한 인공지능 기술을 개발했습니다. 공동연구팀은 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 주사 투과전자현미경(STEM)과 결합한 시스템을 활용했습니다. 

 

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 기대됩니다. 해당 연구는 'Nature Machine Intelligence'에 게재됐습니다. 

 

 인공지능으로 나노입자 영상화 기술 개발

 

에너지 분산형 X선 분광법(이하 EDX)은 나노입자의 성분 분석에 주로 이용되며, X선과 반응한 물체의 성분에 따라 고유한 방출 스펙트럼을 보인다는 점에서 화학적인 분석이 가능합니다. 퀀텀닷 및 배터리 등 다양한 나노 소재의 열화 메커니즘과 결함을 해석하기 위해 형상 및 조성 분포 분석이 가능한 이 분광법의 필요성과 중요도가 급증하고 있습니다.

  • 에너지 분산형 X-선 분광법 (Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)

X-ray와 반응한 샘플의 성분에 따라 고유한 방출 스펙트럼을 보이는 것을 활용해 샘플의 화학적 조성을 분석하는 기법입니다.

  • 양자점 (Quantum dot, QD)

지름이 2~10nm에 불과한 반도체 입자로 특이한 전기적 및 광학적 성질을 지닌 입자입니다.

그러나 EDX 측정 신호의 해상도를 향상하기 위해, 나노 소재를 오랜 시간 전자빔에 노출하면 소재의 영구적인 피해가 발생합니다. 이로 인해 나노입자의 3차원 영상화를 위한 투사(projection) 데이터 획득 시간이 제한되며, 한 각도에서의 스캔 시간을 단축하거나 측정하는 각도를 줄이는 방식이 사용됩니다. 기존의 방식으로 획득된 투사 데이터를 이용해 3차원 영상을 복원할 시, 미량 존재하는 원자 신호의 측정이 불가능하거나 복원 영상의 정밀도와 해상도가 매우 낮습니다. 

상용 퀀텀닷의 투사 데이터 및 개발한 알고리즘으로 복원한 3차원 복원 결과. 출처: KAIST
상용 퀀텀닷의 투사 데이터 및 개발한 알고리즘으로 복원한 3차원 복원 결과. 출처: KAIST

그러나 공동 연구팀이 자체 개발한 인공지능 기반의 커널 회귀(kernel regression)와 투사 데이터 향상(projection enhancement)은 정밀도와 해상도를 획기적으로 발전시켰습니다. 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 개발했습니다. 그리고 개선된 고화질의 EDX 투사 데이터를 기반으로 기존의 방법으로는 불가능했던 적은 수의 투사 데이터로부터 더욱 정확한 3차원 복원 영상을 제공하는 데 성공했습니다.

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. 출처: KAIST
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. 출처: KAIST

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 확인됐습니다.

바이오및뇌공학과 예종철 교수. 출처: KAIST
바이오및뇌공학과 예종철 교수. 출처: KAIST

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 


##참고자료##

 


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