KAIST 양용수 교수팀, 나노물질 구조 '원자단위 해석' 길 열었다
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KAIST 양용수 교수팀, 나노물질 구조 '원자단위 해석' 길 열었다
  • 대전/ 정은모기자
  • 승인 2021.04.06 16:40
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나노물질 표면·내부 3차원 원자구조 규명
인공신경망 전자토모그래피 이용 단일 원자단위 해석 성공
한국과학기술원 물리학과 양용수 교수팀이 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반의 원자분해능 전자토모그래피 기술을 이용해 원자구조까지 분석한 백금 나노입자(오른쪽) 이미지. [KAIST 제공]
한국과학기술원 물리학과 양용수 교수팀이 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반의 원자분해능 전자토모그래피 기술을 이용해 원자구조까지 분석한 백금 나노입자(오른쪽) 이미지. [KAIST 제공]

KAIST 물리학과 양용수 연구팀이 백금 나노입자 표면과 내부의 3차원 원자 구조를 15pm(피코미터)의 정밀도로 규명했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경 기반 원자분해능 전자토모그래피 기술을 개발했으며 1 pm(피코미터)는 1미터의 1조 분의 일에 해당하는 단위로 15 pm의 정밀도는 수소 원자 반지름의 약 1/3 정도에 해당하는 매우 높은 수준이다.

전자토모그래피는 전자현미경으로 다양한 각도에서 측정된 2차원 투영된 이미지로부터 3차원 이미지를 얻어내는 기술이다. 

최근 주사투과전자현미경과 3차원 토모그래피 재구성 알고리즘의 기술 발전으로 전자토모그래피의 분해능은 단일 원자까지 구분할 수 있는 수준에 이르렀다. 

이를 통해 많은 나노물질의 구조와 물성의 근본적인 이해가 가능해졌다.

연구팀은 인공신경망을 이용해 고 각도 방향의 데이터를 복원함으로써 이러한 손실 웨지 문제를 해결하는 데 성공했다. 

고분해능 3차원 표면‧계면 원자 구조의 결정이 가능하게 됐고, 나노물질의 표면‧계면에서 나타나는 물성의 메커니즘을 단일 원자 수준에서 근본적으로 해석할 수 있게 됐다.

연구진은 모든 물질은 원자들로 구성돼 있다는 원자성에 근거해 원자 구조 토모그래피 3차원 데이터를 시뮬레이션을 통해 생성했다. 

고 각도의 데이터가 손실된 불완전한 원자 구조 토모그래피 3차원 데이터와 이상적인 원자 구조 3차원 데이터 사이의 상관관계를 학습시키기 위해 인공지능 신경망(3d-unet기반 모델)을 지도 학습했다. 

원자성에 기반해 학습된 인공지능 신경망은 손실된 고 각도 데이터를 성공적으로 복원함으로써 손실 웨지 문제로 인한 분해능 저하 문제를 해결했다. 

연구팀에 따르면 "이번 연구는 높은 정밀도의 3차원 표면/계면 원자 구조 규명을 가능하게 한다"고 밝혔다.

[전국매일신문] 대전/ 정은모기자 
J-em@jeonmae.co.kr


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