KAIST, 나노물질 표면·내부 3차원 원자구조 규명

한국과학기술원(KAIST)이 나노물질 표면과 내부의 3차원 원자구조를 규명했다고 5일 밝혔다.

물리학과 양용수 교수 연구팀은 인공신경망을 이용한 주사투과전자현미경(STEM) 기반 원자분해능 전자토모그래피 기술을 개발했다.

연구팀은 이를 적용해 백금 나노입자 표면과 내부 3차원 원자구조를 15pm(피코미터)의 정밀도로 규명한 것이다.

1pm은 1m의 1조분의 1에 해당하는 단위로 15pm은 수소 원자 반지름의 약 3분의 1정도에 해당하는 수준이다.

최근 주사투과전자현미경과 3차원 토모그래피 재구성 알고리즘의 기술 발전으로 전자토모그래피의 분해능은 단일 원자까지 구분할 수 있는 수준에 이르렀지만, 고 각도 방향의 분해능이 저하되고 재구성된 3차원 이미지에 원치 않는 노이즈들이 생기는 ‘손실 웨지 문제’가 있었다.

이에 연구팀은 인공신경망을 이용해 고 각도 방향의 데이터를 복원함으로써 손실 웨지 문제를 해결했다.

연구팀이 규명한 원자구조의 정밀도는 인공신경망 적용 전 26 pm에서 적용 후 15 pm으로 큰 폭으로 향상됐다.

양용수 교수는 "인공신경망 기반 전자토모그래피는 구성 원소, 물질의 구조·형태에 의존하지 않는 매우 일반적인 방법“이라며 ”전자토모그래피로 얻은 원자 구조 부피데이터에는 종류에 상관없이 바로 적용할 수 있다ˮ고 설명했다.

이어 "이를 통해 많은 물질의 3차원 표면·계면 원자구조가 정밀하게 규명되고, 물성과 이에 연관된 메커니즘의 근본적인 이해를 바탕으로 고성능 촉매 개발 등에 응용될 것ˮ이라고 말했다.