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연구개요

하세가와 레이카, 석사 2년생, 도쿄이과대학 첨단공학연구과 재료공학부, 박사후 연구원 바라드와즈 아르피타, 조교수 야마자키 타카히로, 고츠구 마사토, 프로젝트 연구원 마사토, 도쿄대학 고체물리연구소 신학과, 호리오 마사시, 마츠다 조교수 이와오 교수, 부교수로 구성된 공동 연구단 도쿄이과대학 연구소의 안도 야스노부와 츠쿠바대학 수학과 재료학과의 곤도 타케히로 교수는 비지도 머신러닝(*1)의 일종인 UMAP(*2)를 이용한 분석 모델을 개발하고 복잡한 배트맨 토토 흡수 스펙트럼(*3)에서 물질의 결정 구조와 전자 상태를 자동으로 정밀하게 분석하는 데 성공했습니다

배트맨 토토 흡수 분광법(XAS, *3)은 물질의 구조 및 전자 상태에 대한 정보를 얻는 분석 방법으로, 재료 개발을 비롯한 광범위한 분야에서 사용됩니다 그러나 다양한 결정 구조와 결함의 영향으로 결과 스펙트럼이 복잡하므로 정확한 분석을 위해서는 고도의 전문 지식과 막대한 작업량이 필요합니다 이에 우리 연구팀은 비지도 머신러닝을 활용한 자동 분석 방법을 개발하고 첨단소재인 질화붕소(BN)의 결정구조와 전자구조를 연결했다(그림 1)

결과에 따르면 UMAP을 이용한 매니폴드 학습은 결정 구조와 결함 유형에 따라 고차원 XAS 배트맨 토토를 정확하게 분류할 수 있는 것으로 나타났습니다 또한 복잡한 스펙트럼의 필수 특징을 포착하는 측면에서 기존 주성분 분석(PCA, *4) 및 다차원 스케일링(MDS, *5)보다 우수한 것으로 나타났습니다 더욱이, 상세한 분석을 통해 원자 결합 상태와 전하 이동의 미세한 차이를 식별하는 능력은 전례가 없는 획기적인 성과입니다 또한 개발된 모델이 시뮬레이션 배트맨 토토뿐만 아니라 실험 배트맨 토토에도 적용할 수 있음을 입증했습니다 본 연구는 스펙트럼 배트맨 토토에 대한 자동 물성 분석의 가능성을 보여주고, 배트맨 토토 기반 재료 설계의 새로운 길을 제시하여 재료 개발 가속화에 기여합니다

본 연구결과는 2025년 11월 10일에 게재될 예정입니다국제학술지 "Scientific Reports" 온라인 게재

연구 배경

BN(질화붕소)은 붕소(B)와 질소(N)로 구성된 화합물로 층상구조(h-BN), 입방정구조(c-BN), 울츠광구조(w-BN) 등 다양한 결정구조를 형성하고 있습니다(그림 1, 상단, 중간 그림) 우수한 전기적 특성과 화학적 안정성으로 인해 반도체 소자, 배터리, 촉매 등 다양한 분야에서 주목받고 있는 첨단 소재입니다

BN의 XAS 측정으로 얻은 스펙트럼(이하 XAS 스펙트럼)에서는 h-BN, c-BN, w-BN의 결정 구조의 차이와 결정 내의 공극, 불순물 등의 결함으로 인해 피크 위치, 강도 비율, 미세 구조가 복잡하게 변화합니다 따라서 XAS 스펙트럼을 정확하게 분석하려면 결정학, 전자 이론, 분광학을 포함한 광범위한 분야의 전문 지식이 필요합니다 특히 대규모 배트맨 토토 세트의 경우 각 스펙트럼을 시각적으로 자세히 검사하고 기능을 수동으로 추출해야 하므로 시간이 많이 걸리고 노동 집약적일 수 있습니다 이러한 이유로 기존 방법으로는 객관적이고 효율적인 분석이 어려웠습니다 이 문제를 해결하기 위해 우리 연구팀은 머신러닝을 활용한 자동화된 XAS 분석 방법을 개발하는 작업을 진행했습니다

연구결과 세부정보

XAS 스펙트럼은 층상 구조(h-BN), 입방체 구조(c-BN), 우르츠광 구조(w-BN)와 같은 일반적인 질화붕소(BN) 구조와 이러한 결함을 포함하는 물질 그룹에 대한 제1원리 계산(*6)을 사용하여 생성되었습니다 이 배트맨 토토에 비지도 기계 학습 방법인 UMAP를 적용하여 복잡한 스펙트럼 배트맨 토토를 결정 구조와 결함 유형에 따라 분류하는 데 성공했습니다(그림 2)

UMAP는 특히 PCA(주성분 분석) 및 MDS(다차원 스케일링)와 같은 기존 차원 축소 기술과 비교하여 비선형 및 고차원 스펙트럼 배트맨 토토 처리에서 탁월한 효율성을 보여주었습니다

또한, 획득된 3개 변수의 배트맨 토토베이스(그림 2 왼쪽 하단, 3차원으로 표시)를 2차원 그래프(그림 2 왼쪽 상단, 차원 축소 결과)로 변환하여 얻은 배트맨 토토로부터 전자 상태(상태 밀도: DOS, *7)의 미세한 변화를 포착할 수 있었고, σ 결합의 특정 전기적 특성을 특징으로 하는 전하 이동의 차이(그림 오른쪽 하단)를 자동으로 분석하는 데 성공했습니다 2) 이는 전자적 상태의 적지 않은 변화를 추정하는 것과 동일하며, 기존 방법으로는 얻을 수 없었던 새로운 결과라고 할 수 있다

또한 본 연구에서는 계산된 배트맨 토토로 구축된 모델을 XAS 스펙트럼에 실험적으로 적용하여 그 효과를 입증했습니다 그 결과, 다양한 재료 분석에 활용될 수 있는 기반을 구축할 수 있었습니다

이번 연구를 주도한 도쿄이과대학 코츠구 교수는 "이번에는 AI를 활용해 복잡한 스펙트럼 변화를 자동 분석하는 데 성공했다 이 결과는 다양한 재료 연구자들에게 도움이 되고 스마트폰, 배터리, 촉매 개발을 더욱 가속화할 것으로 기대된다"고 말했다

*이 연구는 일본 과학기술청(JST)의 전략적 창의적 연구 진흥 프로젝트 CREST(JPMJCR21O4)의 지원을 받았습니다 이번 연구도 국립자연과학원 오카자키공동연구시설 전산과학연구센터가 제공한 슈퍼컴퓨터 전산자원을 활용해 진행됐다

기간

＊1：

비지도 머신러닝
올바른 라벨이 제공되지 않은 배트맨 토토의 패턴과 규칙성을 드러내는 기계 학습 방법입니다 주로 배트맨 토토 단순화, 빈번한 패턴 찾기, 클러스터링 등에 사용됩니다

＊2：

UMAP(Uniform Manifold Approximation and Projection)
고차원 배트맨 토토를 저차원 공간으로 압축하여 시각화하는 차원 축소 방법입니다 주성분 분석(PCA)과 같은 선형 방법과 달리 복잡한 비선형 구조를 유지하면서 차원 축소를 수행할 수 있습니다 또한, 다른 차원 축소 방법에 비해 계산 효율성이 뛰어나고, 대용량 배트맨 토토 세트를 실용적인 시간 내에 처리할 수 있다는 점에서 최근 몇 년간 특히 주목받고 있는 머신러닝 방법입니다

＊3：

배트맨 토토 흡수 분광법(XAS), 배트맨 토토 흡수 스펙트럼
물질에 배트맨 토토을 조사할 때 흡수 강도를 측정하는 방법 배트맨 토토 흡수 분광법으로 얻은 각 에너지의 강도를 모아 놓은 것을 배트맨 토토 흡수 스펙트럼이라고 합니다 내부 껍질 전자는 특정 에너지의 X-선에 의해 여기되기 때문에 원자가, 전자 상태, 주변 원자와 원자의 국부적 구조에 대해 논의할 수 있습니다

＊4：

주성분 분석(PCA)
고차원 배트맨 토토의 분산이 최대화되도록 설명자를 새로운 축(주성분)으로 변환하는 방법입니다 배트맨 토토 특징을 효율적으로 요약할 수 있으며 시각화, 차원 감소, 노이즈 감소에 사용됩니다

＊5：

다차원 확장(MDS)
배트맨 토토 간의 거리와 유사성을 유지하면서 저차원 공간에 배트맨 토토를 배열하는 방법입니다 배트맨 토토의 복잡한 관계를 직관적으로 시각화할 수 있으며 클러스터 구조와 패턴을 이해하는 데 사용됩니다

＊6：

첫 번째 원리 계산
실험적 매개변수를 사용하지 않고 기본 물리량과 양자역학의 기본 법칙에만 기초한 밀도 범함수 이론과 같은 이론을 사용하여 물질의 전자 상태 및 물리적 특성을 계산하는 방법입니다 재료 설계 및 물성 예측에 널리 사용됩니다

＊7：

상태 밀도(DOS)
에너지와 관련하여 전자 근처에 존재하는 전자 상태 수를 나타내는 물리량입니다 이는 재료의 전기적, 광학적 특성을 이해하는 데 매우 중요한 지표입니다

논문 정보

잡지 이름

과학 보고서

논문 제목

균일 다양체 근사 및 투영을 사용한 배트맨 토토 흡수 스펙트럼을 통한 질화붕소의 결정 및 전자 구조 자동 규명

저자

하세가와 레이카, Arpita Varadwaj^※, 알렉상드르 리라 포지아토, 니베 마사히토, 야마자키 타카히로, 호리오 마사후미, 안도 야스노부, 곤도 타카히로, 마츠다 이와오, 코츠기 마사토^※

DOI

101038/s41598-025-18580-z

발표자

하세가와 레이카

도쿄이과대학 첨단공학연구과 재료공학과 석사과정 2년차

Varadwaj Arpita^※

도쿄이과대학 첨단공학부 재료공학과 박사후 연구원

코지 마사토^※

도쿄이과대학 첨단공학부 재료공학과 교수

Foggiatto Lira Alexandre

도쿄이과대학 첨단공학부 재료공학과 조교수

야마자키 타카히로

도쿄이과대학 연구부 조교수

니베 마사토

도쿄대학교 고체물리연구소 특임연구원

호리오 마사시

도쿄대학교 고체물리연구소 조교수

마츠다 이와오

도쿄대학교 고체물리연구소 교수

안도 야스노부

도쿄이과대학 종합연구부 화학생명과학연구소 부교수

콘도 다케히로

쓰쿠바대학교 수재료학과 교수

※교신저자