광물의 원자 크기까지 자세히 볼 수 있다

KAIST, 인공신경망을 이용한 3차원 보는데 성공
광물 원자보다 작은 1조분의 15m까지 분석 가능해

한국과학기술원 물리학과 양용수 교수팀이 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반의 원자분해능 전자토모그래피 기술을 이용해 원자구조까지 분석한 백금 나노입자(오른쪽) 이미지. KAIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 1조분의 15m에 해당하는 원자까지 3차원으로 정밀하게 살펴볼 수 있는 기술을 개발했다. 연구진은 이 기술이 나노물질의 구조와 성질을 이해해 고성능 촉매를 개발하는데 도움이 될 수 있다고 설명했다.

한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 양용수 교수팀이 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반의 원자분해능 전자토모그래피 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 양용수 교수팀은 이 기술로 실제 백금 나노입자 표면과 내부의 3차원 구조를 밝혀냈다.

원자분해능 전자토모그래피 기술은 원자까지도 평면 이미지를 3차원으로 또렷하게 관찰할 수 있는 기술이다. 연구진이 관찰한 15 pm(피코미터)의 정밀도는 수소 원자 반지름의 약 3분의 1 정도에 해당한다.

연구진은 이 기술을 이용해 실제 백금 나노입자의 3차원 표면과 내부 구조를 원자 하나의 수준에서 들여다 봤다. 이를 통해 원자 구조의 정밀도는 인공신경망 적용전 26pm에서 적용 후 15pm으로 큰 폭으로 향상됐다.

양 교수는 "이를 통해 많은 물질의 3차원 표면과 경계면 원자 구조가 정밀하게 밝혀지고 고성능 촉매 개발 등에 응용될 것"이라고 전망했다.

일반적인 전자토모그래피 실험에서는 시험분석 광물 조각을 넣은 장치가 전자빔을 가려 75도 이상의 고각도의 이미지를 얻는게 불가능하다. 이로 인해 고각도 방향의 뚜렷한 이미지를 얻을 수 없고, 재구성된 3차원 이미지에 원치 않는 노이즈들이 생기는 현상을 손실 웨지 문제라 부른다.

연구진은 인공신경망을 이용해 고각도 방향의 데이터를 복원해 손실 웨지 문제를 해결했다. 이를 통해 고분해능 3차원 표면과 경계면 원자 구조의 결정을 볼 수 있게 됐다. 이를 통해 나노물질의 표면과 경계면에서 나타나는 물질의 성질 메커니즘을 단일 원자 수준에서 근본적으로 해석할 수 있다.

KAIST 물리학과 이주혁 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 3월 30일자에 게재됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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