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2D->3D로 쉽게 바꾸는 AI 알고리즘 개발…소요시간·비용도 8분의1 '확' 줄여

세포부터 반도체까지 단면 이미지를 3D로 실시간 만드는 솔루션이 개발됐다. 한국표준과학연구원(KRISS)은 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 생물학 시료 2차원 단면 이미지를 3차원 구조로 빠르게 형상화할 수 있는 '인공지능(AI) 기반 영상 분할 알고리즘'을 개발했다고 30일 밝혔다. 이 알고리즘은 세포부터 반도체까지, 3D 구현에 별다른 제한이 없다. 심지어 치과 등에서 촬영하는 엑스레이 사진도 3D 구현이 가능하다. 전체 이미지 데이터의 10%만 사람이 분석하면 나머지 부분은 AI가 자동으로 구조를 예측, 3차원으로 재구성한다. 사람이 모든 단면 이미지를 일일이 분석했던 기존 방식 대비 3차원 구조 관측에 소요되는 시간과 비용을 절반 이상 줄일 수 있다. 주사전자현미경(SEM)은 분석 대상의 단층을 수십 나노미터 간격으로 연속 촬영한 후, 확보한 단면 이미지들을 결합해 3차원 입체 구조로 재구성하는 장비다. 이 장비는 미세한 세포 내부 구조를 고해상도로 정밀하게 관측할 수 있어 생명과학 연구와 의료 진단 분야에 널리 활용된다. 단면 이미지를 재구성하기 위해서는 영상 분할이라는 전처리 과정이 필요하다. 이는 각 단면 이미지에서 세포핵, 미토콘드리아 등 분석 대상의 정확한 위치와 형태를 구분하는 작업이다. 불필요한 정보를 걸러내고 분석 대상을 선명하게 드러내는 과정이다. 그런데, 기존 영상 분할은 수백에서 수천 장에 이르는 단면 이미지를 전문가가 직접 확인하고 분석 대상을 수작업으로 표시하는 '지도학습' 방식을 이용한다. 막대한 시간과 인력이 필요하고, 연구자의 주관적 판단과 실수가 발생한다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 일정 간격으로 사람이 정답을 표기한 이미지를 기준으로 인접 단면의 정답을 자동으로 표시하는 '준 지도학습' 방식을 적용한 새로운 알고리즘을 개발했다. 1번부터 100번까지의 단면 이미지가 있을 때 10장 간격마다 사람이 레이블링(데이터 값(이름) 부여과정)한 기준 데이터를 삽입하면, 나머지 90장은 연구팀이 개발한 알고리즘이 레이블링을 수행, 전체 이미지를 분석한다. 미래선도연구장비그룹 윤달재 선임연구원은 "이 방법을 이용하면 AI 기반 3차원 구조 형상에 필요한 데이터셋(Dataset) 준비 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있다"고 설명했다. 실제 쥐 뇌세포 데이터를 대상으로 한 성능 시험에서 연구팀이 개발한 알고리즘은 기존 방식과 정확도 차이가 3% 이내에 불과했다. 그럼에도 분석에 걸리는 시간과 비용은 약 8분의 1 수준으로 단축했다. 4096×6144 해상도의 대용량 데이터를 활용한 실험에서도 분석 정확도와 속도를 유지하며 안정적인 성능을 나타냈다. 윤 선임은 “이 기술은 생물학 분야뿐 아니라 반도체 결함 분석, 신소재 개발 등 영상 분석 자동화가 필요한 다양한 분야에서 쓰일 수 있다”며 “특히 개인정보 보호나 예산 부족 등으로 AI 학습데이터 확보가 어려운 영역에서 유용하게 활용할 수 있을 것”이라고 말했다. 연구는 KRISS 기본사업의 지원을 받았다. 연구성과는 지난 6월 현미경 영상 분석 분야 국제 학술지, 마이크로카피 앤 마이크로어날리시스(Microscopy and Microanalysis(IF 3.0))의 하이라이트 논문으로 선정돼 공개됐다. 한편 한국표준과학연구원 전략기술연구소 미래선도연구장비그룹에서 일해온 윤달재 선임연구원은 오는 9월 1일부터 충남대학교 정보통신융합과 교수로 이직한다.

2025.08.30 12:01박희범

KBSI, 넥스트론에 '발열잡는' 첨단 현미경 기술 이전

한국기초과학지원연구원(원장 양성광, KBSI)은 25일 본원에서 (주)넥스트론(대표 문학범)과 열분석 시스템 기술이전 협약을 체결한다. 이번에 이전되는 '열분석 시스템'은 첨단 전자기기의 발열 문제를 해결하기 위한 첨단 현미경 기술이다. 장기수 박사 연구팀이 개발한 이 기술은 반도체, 디스플레이, 센서 등 미세 소자가 동작할 때 발생하는 발열 상태를 비접촉 방식으로 정밀하고 고분해능으로 측정해 영상화할 수 있다. 300㎚ 수준의 공간 분해능을 구현해, 기존 외산 장비의 최고 수준인 3000㎚보다 10배 이상 향상된 성능을 자랑한다. 장기수 박사는 “시료 내부의 온도 분포를 정량적으로 측정할 수 있으며, 기존 장비로는 측정이 어려운 마이크로 전자 부품의 3차원 발열 특성까지 분석할 수 있다”고 설명했다. 공간 분해능이란 두 물체를 공간적으로 구분할 수 있는 능력을 의미한다. 장 박사는 또 “기존 외산 장비에 쓰이는 고가의 적외선 광학 부품 대신, 저렴한 가시광 기반 광학 부품을 활용할 수 있어 제품 단가를 획기적으로 낮출 수 있다”고 기대했다. KBSI 측은 이번 기술이 향후 AI 반도체, 투명·유연 디스플레이, 웨어러블 전자기기 등 차세대 전자기기의 발열 문제 해결에 핵심 기술로 기여할 것으로 전망했다. 또 어느 기업이든 이 기술을 원하는 곳이 있다면 바로 이전할 방침이다. 넥스트론은 연구장비 개발 및 제조 전문기업으로, 현재 고성능 열분석 시스템의 상용화에 박차를 가하고 있다. 문학범 대표는 “상용화를 서두르고 있다”며 “생산 인프라와 해외 유통망을 기반으로 빠른 시장 진입이 가능할 것”이라고 밝혔다.

2025.04.25 09:12박희범

"단백질 반응, 1천분의 1초면 포착"…국내 연구진, 초저온 전자현미경 한계를 넘다

국내 연구진이 생명 현상을 이해하는데 필수적인 생화학 반응의 변화를 수 밀리초 수준에서 정지시키고 분석하는 방법을 개발했다. KAIST(총장 이광형)는 화학과 강진영 교수와 물리학과 이원희 교수의 공동 연구팀이 '패릴렌' 기반 '박막 미세유체 혼합-분사 장치'를 개발했다고 24일 밝혔다. 패릴렌은 단백질 반응을 초고속으로 관찰하기 위한 미세유체 장치를 만드는 핵심 재료다. 이번 연구는 기존에 제시됐던 시간 분해 초저온 전자현미경(TRCEM) 기법의 한계를 극복했다. 기존 대비 시료 소모량을 3분의1 줄이면서 분석가능한 최소 반응시간을 기존 기술 대비 수십 배 향상시켰다. 이원희 교수는 "6밀리초(1,000분의 6초)까지 단축했다"며 "미세유체역학 소자 내에서 반응 개시에 드는 시료 혼합 시간을 0.5밀리초로 줄인 것"이라고 언급했다. 강진영 교수는 “구조 생물학 및 신약 개발, 효소 반응연구, 바이오 센서 개발 등 다양한 생명과학 및 의약 분야에서 패럴린 박막 소자의 폭넓은 활용 가능성을 제시했다”고 연구의 의의를 설명했다 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(1월28일자) 온라인판에 게재됐다. - 시간 분해 초저온 전자현미경 분석기법 개발 국내 연구진이 생명 현상을 이해하는데 필수적인 생화학 반응의 변화를 수 밀리초 수준에서 정지시키고 분석하는 방법을 개발했다. KAIST(총장 이광형)는 화학과 강진영 교수와 물리학과 이원희 교수의 공동 연구팀이 '패릴렌' 기반 '박막 미세유체 혼합-분사 장치'를 개발했다고 24일 밝혔다. 패릴렌은 단백질 반응을 초고속으로 관찰하기 위한 미세유체 장치를 만드는 핵심 재료다. 이번 연구는 기존에 제시됐던 시간 분해 초저온 전자현미경(TRCEM) 기법의 한계를 극복했다. 기존 대비 시료 소모량을 3분의1 줄이면서 분석가능한 최소 반응시간을 기존 기술 대비 수십 배 향상시켰다. 이원희 교수는 "6밀리초(1,000분의 6초)까지 단축했다"며 "미세유체역학 소자 내에서 반응 개시에 드는 시료 혼합 시간을 0.5밀리초로 줄인 것"이라고 언급했다. 강진영 교수는 “구조 생물학 및 신약 개발, 효소 반응연구, 바이오 센서 개발 등 다양한 생명과학 및 의약 분야에서 패럴린 박막 소자의 폭넓은 활용 가능성을 제시했다”고 연구의 의의를 설명했다 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(1월28일자) 온라인판에 게재됐다.

2025.03.24 20:51박희범

파크시스템스, 'Park FX 라지 샘플' AFM 제품 올 상반기 상용화

원자현미경(AFM) 전문기업 파크시스템스는 '세미콘 코리아 2025'에서 차세대 대형 샘플 원자현미경인 'Park FX Large Sample AFM 제품군'을 공식 발표했다고 19일 밝혔다. 이번 신제품에는 최대 300mm 웨이퍼까지 분석 가능한 'Park FX300'을 비롯해 기존 원자현미경에 적외선 분광(IR Spectroscopy) 기술을 접목한 'Park FX300 IR' 및 'Park FX200 IR' 모델도 함께 출시됐다. 이들 장비는 고정밀 분석이 필요하지만, 완전 자동화된 인라인 시스템 도입은 부담스러운 기업과 인라인 생산 이전에 원자현미경을 도입하려는 기업들을 위한 솔루션이다. Park FX Large Sample AFM 제품군은 대형 웨이퍼 샘플 분석을 위한 첨단 성능과 업계 최상의 자동화 기능을 갖춘 것이 특징이다. Park FX300은 최대 300mm 웨이퍼, 혹은 소형 샘플 16개까지 동시 장착해 분석할 수 있으며, 열에 의한 드리프트를 최소화하고 정밀한 측정을 구현했다. 또한 내장 카메라 및 QR 코드 시스템을 활용한 자동 탐침 교체 및 모니터링, 머신러닝 기반 정밀 레이저 및 광 검출기 자동 정렬 시스템, 다양한 위치에서 자동 순차 측정이 가능한 StepScan 기능을 강화해, 연구자들이 샘플 측정만 집중할 수 있는 환경에서 전기적·기계적·자기적 등의 특성을 분석할 수 있도록 보장한다. 특히 Park FX200 IR 및 Park FX300 IR 모델은 원자현미경과 적외선 분광 기술을 결합해 나노 단위 분석을 지원한다. 광유도력 현미경(PiFM) 기능을 탑재해 고해상도 적외선 스펙트럼 분석이 가능하며, 기존 적외선 해상도의 한계를 수천 배까지 확장해 5 nm 이하의 초고해상도로 소재의 분자 구조와 화학 결합 정보를 정밀하게 분석할 수 있다. 이를 통해 샘플 표면을 손상시키지 않으면서 반도체, 폴리머, 생명과학 소재의 화학 조성을 정밀하게 연구할 수 있는 길을 열었다. 특히 반도체 결함 분석, 고분자 연구, 차세대 신소재 개발 분야에서 강력한 성능을 발휘할 것으로 기대된다. Park FX300은 산업용 연구개발을 지원하는 다양한 옵션도 제공한다. 반도체 후공정에서 구리 패드의 대면적 평탄도 측정을 위한 슬라이딩 스테이지, 웨이퍼 레벨 패키징 공정에서 웨이퍼의 정렬 및 방향을 정밀하게 맞출 수 있는 회전 스테이지, 샘플 관찰 용이성과 특수 광학적 요구사항을 충족시키기 위한 오프엑시스 광학계, 그리고 청정도에 민감한 환경에서 오염을 최소화하는 팬 필터 유닛(FFU) 등의 기능을 통해 산업용 연구개발 실험 환경에 최적화된 방안을 제공한다. 또한 원자현미경 시스템을 제어하고 실험에 필요한 외부 장비나 시스템을 통합 관리하는 시설 제어기(Facility Controller), 실험 중에 발생하는 중요 에러나 장비 상태를 시각적으로 표시하고 경고하는 신호 타워(Signal Tower) 등을 기본 장착해 사용자 편이성을 극대화했다. 조상준 파크시스템스 전무는 “Park FX Large Sample AFM 제품군은 파크시스템스의 오랜 경험과 기술 혁신이 집약된 결과물로 300mm 웨이퍼 측정에 최적화된 기능을 탑재하고 성능을 극대화했다”며 “자동화 측정 소프트웨어를 통해 사용자 편의성을 크게 향상시키는 한편, 적외선 분광 기능을 강화하여 산업용과 연구용 광학현미경의 경계를 허무는 게임 체인저로 자리 잡으며 고객들에게 가장 진보된 원자현미경 솔루션을 제공할 것”이라고 밝혔다. 한편 Park FX Large Sample AFM 제품군은 올 상반기부터 한국을 포함한 미국, 유럽, 일본, 중국 등의 글로벌 시장에서 본격적으로 판매될 예정이다.

2025.02.19 08:28장경윤

KBSI-엠크래프츠, 저전압 투과전자현미경 "상용화 수순"

정부출연연구기관이 개발한 전자현미경 기술이 상용화 절차에 들어갔다. 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 투과전자현미경(TEM) 시스템 제작 기술 등을 ㈜엠크래프츠(대표 전정범)에 이전하고, 상용화를 진행중이라고 20일 밝혔다. 기술이전 조건은 선급기술료 1억 원과 경상기술료로 계약기술 적용 최종제품 순 매출액의 5%를 받기로 했다. 이전한 기술은 30kV급 저전압 투과전자현미경 시스템과 전자현미경 경통 구조물의 기계적 정렬 상태를 평가하기 위한 장치 및 방법이다. 엠크래프츠는 이번 기술 이전으로 TEM 시스템 개발에서 발생하는 시행착오를 최소화할 것으로 기대했다. 이를통해 TEM 개발 기간을 단축하고, 저전압 TEM 상용품 출시 및 판매 시점을 앞당길 계획이다. TEM은 나노미터(nm) 수준의 분해능(식별 능력)으로 시료 내부 구조의 형태를 영상으로 보여주는 유일한 분석과학 연구 장비다. 우리나라는 전량 수입해 쓰고있다. 전 세계 TEM 시장의 97%를 일본(JEOL, Hitachi high-tech)과 미국(Thermo Fisher Scientific) 업체가 점유했다. 한철수 선임연구원은 "그나마 이들 업체가 중⸱대형 모델만 판매하고 있는 시장 환경에서 국내 수요자들은 필요 이상의 고성능 모델을 높은 가격에 도입해 쓴다"며 '유지보수 비용도 상당한 것으로 안다"고 설명했다. 한 선임은 "기관 고유사업(BIG 사업)을 통해 외산 의존도가 100%에 달하는 TEM 기술을 확보했다"며 "국산화율이 70%에 이른다"고 부연설명했다. 엠크래프츠는 국내 전자현미경 전문 개발 및 제조 전문 기업이다. 전정범 엠크래프츠 대표는 "저전압 TEM 상용품 출시를 준비 중"이라며 "국내외 판매망과 기술 개발 및 지원 노하우를 적극 활용, 신속한 시장 진입을 계획중"이라고 말했다. KBSI는 기술이전 후에도 엠크래프츠에 시제품 구축 및 양산체계를 구축할 수 있도록 지속 지원할 계획이다. 한철수 선임연구원은 “전량 수입에 의존하던 투과전자현미경 시스템 및 평가 기술을 오랜 시간 동안 어렵게 확보했다"며 "향후 국내 연구자들에게 경제적인 가격과 맞춤형 기능을 제공할 것"으로 기대했다.

2025.01.20 09:40박희범

GIST, 국내 10번째로 '300kV 초저온 투과전자현미경' 도입

광주과학기술원(GIST)은 중앙기기연구소(GAIA)에서 최첨단 고분해능 초저온 투과전자현미경(300kV Cryo-EM) 도입 기념식을 개최했다고 8일 밝혔다. 이날 행사에는 임기철 총장을 비롯해 김상돈 교학부총장, 정성호 연구부총장, 정용화 대외부총장과 김태영 GAIA 소장, 이재영 연구처장, 이현주 학술정보처장 등이 참석했다. 이같은 300kV급 규모는 국내에 9대 밖에 없다. GIST가 열 번 째 도입한 셈이다. 초저온 투과전자현미경'은 단백질, 바이러스, 세포 등 생체 분자를 극저온(-196℃) 상태로 급속 냉각시켜 생리학적 상태 그대로 관찰할 수 있다. 생체 분자의 3차원 구조를 원자 수준에서 정밀하게 분석할 수 있다. 생명과학, 의학, 신약 개발 등 의생명과학 분야 활용도가 높다. 영국 의학연구위원회(MRC)의 리처드 헨더슨(Richard Henderson) 교수 등이 'Cryo-EM' 기술 개발 공로로 2017년 노벨 화학상을 수상한 바 있다. GIST는 지난 해 △환경주사현미경(E-SEM) △엑스선 광전자분광기(XPS) △200kV-투과전자현미경(200kV-TEM) △오비트랩 질량분석기(Orbitrap MS) 등 최신 장비들을 도입했다. 김 소장은 “생명과학, 의학, 신약 개발뿐 아니라 나노소재와 고분자 구조 분석 등 다양한 첨단 연구 분야에서 중요한 역할을 할 것”이라며, “GIST와 호남권 산업 발전에 크게 기여할 것"으로 기대했다. 한편 GIST는 지난해 2월 전남대, 조선대, 한국에너지공과대, 목포대, 순천대 등 광주·전남 지역 20개 대학과 연구 장비 공동 활용 협력 증대를 위한 협약을 체결했다.

2025.01.08 11:56박희범