KAIST, 나노물질 표면과 3차원 원자구조 규명..고성능 촉매 개발 등 기대

시뮬레이션 원자구조 토모그램에 인공신경망을 적용한 결과

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 양용수 물리학과 교수팀이 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반 원자분해능 '전자토모그래피' 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

또 이를 적용해 백금 나노입자 표면과 내부 3차원 원자 구조를 15피코미터(pm) 정밀도로 규명했다. 1pm은 1m의 1조 분의 일에 해당하는 단위다. 15pm 정밀도는 수소 원자 반지름의 약 3분의 1에 해당하는 매우 높은 수준이다.

전자토모그래피는 전자현미경으로 다양한 각도에서 측정된 2차원 투영된 이미지로부터 3차원 이미지를 얻어내는 기술이다. 최근 STEM과 3차원 토모그래피 재구성 알고리즘 기술 발전으로 단일 원자까지 구분하는 수준에 이르렀다. 많은 나노물질의 구조와 물성의 근본적인 이해가 가능해졌다.

그러나 일반적인 전자토모그래피 실험에서는 시편을 탑재한 홀더, 그리드가 전자빔을 가려 75도 이상 높은 각도에서 이미지 측정이 불가능하다. 고각도 방향 분해능이 저하되고, 재구성된 3차원 이미지에 원치 않는 노이즈들이 생겨난다. 이런 현상을 손실 웨지 문제(missing wedge problem)라 부른다.

연구팀은 인공신경망을 이용해 고 각도 방향의 데이터를 복원함으로써 문제를 해결하는 데 성공했다. 이주혁 석박사통합과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 3월 30일자에 게재됐다.

연구팀은 원자 구조 토모그래피 3차원 데이터를 시뮬레이션으로 생성했다. 또 인공지능(AI) 신경망(3d-unet기반 모델)을 지도학습해 손실 웨지 문제로 인한 분해능 저하 문제를 해결했다. 이는 고정밀도 3차원 표면·계면 원자 구조 규명을 가능하게 한다.

개발된 인공신경망 기반 전자토모그래피 기술로 실제 백금 나노입자의 3차원 표면 및 내부 구조를 단일 원자 수준에서 규명할 수 있었다. 원자 구조의 정밀도는 인공신경망 적용 전 26pm에서 적용 후 15pm으로 향상됐다.

양용수 교수는 “인공신경망 기반 전자토모그래피는 구성 원소, 물질의 구조와 형태에 의존하지 않는 매우 일반적인 방법으로, 전자토모그래피로 얻은 원자 구조 부피데이터에는 종류에 상관없이 바로 적용할 수 있다”며 “이를 통해 많은 물질의 3차원 표면, 계면 원자 구조가 정밀하게 규명되고, 표면과 계면에서 일어나는 물성 및 연관된 메커니즘을 근본적으로 이해해 고성능 촉매 개발 등에 활용할 수 있다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구지원사업 및 KAIST 글로벌 특이점 사업(M3I3)의 지원을 받아 수행됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com