메뉴바로가기본문바로가기

동아사이언스

현미경 사진만으로 자성물질 특성 파악...'AI 감별사' 나왔다

통합검색

현미경 사진만으로 자성물질 특성 파악...'AI 감별사' 나왔다

2020.11.17 12:00
KIST-경희대 연구팀, 차세대 '스핀트로닉스' 소자 개발 응용 기대
연구팀이 다양한 스핀 자성체 물성을 학습하기 위해 생성한 자성 도메인 이미지의 패턴 사례들이다. KIST 연구팀은 이런 이미지와 실제 측정된 물성 데이터를 바탕으로 AI를 학습시켜 전자현미경 이미지만으로 자성체 소재의 물성을 정확하고 빠르게 파악하는 기술을 개발했다. 사이언스 어드밴시스 논문 캡쳐
연구팀이 다양한 스핀 자성체 물성을 학습하기 위해 생성한 자성 도메인 이미지의 패턴 사례들이다. KIST 연구팀은 이런 이미지와 실제 측정된 물성 데이터를 바탕으로 AI를 학습시켜 전자현미경 이미지만으로 자성체 소재의 물성을 정확하고 빠르게 파악하는 기술을 개발했다. 사이언스 어드밴시스 논문 캡쳐

소재의 전자현미경 영상만으로 자성 등 보이지 않는 물성을 정확하고 빠르게 예측하는 인공지능(AI) 기술이 개발됐다. 차세대 소자 개발에 도움을 줄 것으로 기대된다.


한국과학기술연구원(KIST)은 권희영 스핀융합연구단 연구원과 최준우 선임연구원, 원창연 경희대 교수팀이 자성체의 이미지로부터 물성을 추정하는 딥러닝 기반 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 


현재 전자공학은 전자의 움직임(전류)을 통해 정보를 저장하고 처리한다. 이런 작업에 최적화된 현재의 실리콘 반도체는 사용 전력을 줄이거나 선폭을 줄이는 작업에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 최근에는 전자가 지니는 양자역학적 특성인 ‘스핀’을 이용한 전자공학인 ‘스핀트로닉스’라는 분야의 연구가 활발하다. 자성을 띠는 물질을 이용한 자성메모리 소자 등이 스핀트로닉스를 이용해 개발되고 있다.


자성체 스핀트로닉스에서는 소재인 자성체의 물성을 파악하는 일이 무엇보다 중요하다. 자성체에서 스핀은 물질에 자성이 나타나게 하는 최소 단위인데, 이들이 뭉쳐 있는 영역이 전체 자성체의 물성에 중요한 영향을 미치기 때문이다. 


예를 들어 운동장에 학생들이 앞뒤 양 옆으로 줄을 맞춰 가득 서 있다고 하면, 사람들이 바라보는 방향을 스핀이라고 비유할 수 있다. 불규칙하게 아무 방향이나 보는 학생들 사이에서 한 반이 운동장 앞을 바라보고 있을 수 있는데, 이렇게 한 방향으로 정렬된 반이 늘어나면 운동장 전체에 퍼진 학생들의 방향성이 결정될 수 있다. 

 

자성체에서도 주변의 스핀이 모두 정렬된 영역인 ‘자성 도메인’이 만들어지고 변화하는 과정에서 다양한 자기적 특성이 나타난다.

 

학습된 이미지를 바탕으로 AI가 실제 실험으로 측정된 자성 도메인의 패턴을 인식하는 과정을 나타낸 그림이다. 사이언스 어드밴시스 논문 캡쳐
학습된 이미지를 바탕으로 AI가 실제 실험으로 측정된 자성 도메인의 패턴을 인식하는 과정을 나타낸 그림이다. 사이언스 어드밴시스 논문 캡쳐

그 동안 자성 도메인의 특성을 파악하기 위한 실험이 많이 이뤄져 왔지만 시간과 자원이 많이 소모돼 어려움이 컸다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 딥러닝을 이용한 예측 알고리즘을 만들었다.

 

먼저 난수를 이용한 확률 기법인 몬테카를로 기술을 활용해 다양한 자성 도메인 이미지를 생성한 뒤 이를 AI에 반복 학습시켰다. 자성 도메인은 마치 물결무늬나 얼룩말 무늬처럼 독특하고 무작위적인 패턴을 형성하는데 이를 AI가 인식해 물성으로 해석하는 방식이다. 이후 다른 자성 도메인의 전자현미경 이미지를 보고 물성을 추정하게 했다.

 

그 결과 자성 도메인 패턴으로부터 거의 실시간으로 정확하게 물성을 추정할 수 있다는 사실을 확인했다. 오차는 1% 내외로 매우 낮았다. 특히 물성 측정을 위한 추가적인 실험 과정을 줄임으로써 자성 도메인에 관한 연구 과정을 크게 단축할 수 있을 것으로 연구팀은 전망했다.


권 연구원은 “AI 기술이 자성 도메인의 특성을 분석하기 위해 어떻게 활용될 수 있는지 새로운 길을 제시한 연구”라며 “자성 도메인 연구뿐만 아니라 관측 이미지로부터 과학적 정보를 추출해야 하는 다양한 연구 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 9월 23일자에 발표됐다.
 

관련 태그 뉴스

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

11 + 5 = 새로고침
###
    과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기