KAIST, AI 기반 3D 고해상도 나노입자 영상화 기술 개발

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삼성전자 종합기술원과 공동연구
AI 적용 '커널 회귀'로 스캔 시간 줄이고
3차원 복원 영상 정밀도·해상도는 높여
양자점 등 정확한 반도체 입자 분석 도움

나노입자 3차원 형상과 조성분포를 복원하는 인공지능(AI) 기술이 국내 개발됐다. 양자점(퀀텀닷) 등 반도체 입자를 정확하게 분석하는데 도움이 된다.

한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 예종철 바이오 및 뇌공학과 교수팀이 삼성전자 종합기술원과 나노입자 3차원 형상과 조성 분포 복원 성능을 획기적으로 높인 AI 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

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

상용 퀀텀닷의 투사 데이터 및 개발한 알고리즘으로 복원한3차원 복원결과
<상용 퀀텀닷의 투사 데이터 및 개발한 알고리즘으로 복원한3차원 복원결과>

EDX는 나노입자 성분 분석에 주로 이용되며 반응 물체 성분에 따라 고유한 방출 스펙트럼을 보인다. 퀀텀닷, 배터리 등 다양한 나노 소재 열화 메커니즘과 결함을 해석하는데 중히 쓰인다.

그러나 EDX를 오래 사용하면 분석 대상이 전자빔에 피해를 입는다. 이 때문에 투사 데이터 획득 시간이 제한되며 한 각도에서 스캔 시간을 단축하거나 측정하는 각도를 줄이는 방식이 사용된다. 복원 영상 정밀도와 해상도가 매우 낮을 수밖에 없었다.

공동 연구팀이 자체 개발한 기술은 정밀도와 해상도를 획기적으로 발전시킨 것이다. 연구팀은 측정 데이터 분포를 네트워크가 스스로 학습하는 AI 기반 '커널 회귀'를 활용, 스캔 시간이 짧더라도 투사 데이터 신호 대 잡음비(SNR)를 높이는 네트워크를 개발했다. 그리고 화질이 개선된 EDX 투사 데이터를 기반으로 더욱 정확한 3차원 복원 영상을 제공하는데 성공했다.

이 결과 나노입자를 형성하는 원자 형상과 경계를 뚜렷하게 구별할 수 있었다. 퀀텀닷 3차원 영상 광학 특성이 실제 샘플의 것과 높은 상관관계를 갖는 것을 확인했다.

바이오및뇌공학과 예종철 교수
<바이오및뇌공학과 예종철 교수>

예종철 교수는 “상용 디스플레이 핵심 기반이 되는 퀀텀닷 및 반도체 소자의 양자 효율과 화학적 안정성을 더욱 정밀하게 분석할 수 있다”고 말했다.

이번 연구에는 예종철 교수팀의 한요섭 박사, 차은주 박사과정, 정형진 석사과정과 삼성종합기술원의 이은하 전문연구원팀의 장재덕, 이준호 전문연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처 머신 인텔리전스 2월 8일자 온라인판에 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com