소재의 현미경 영상에 대한 정량 분석

김동재, 남재욱*

성균관대학교 화학공학과

현대 현미경의 이미징 기술의 발달과 나노 및 재료 연구의 비약적인 발전에 따라 대부분의 과학, 공학에서 현미경을 활용한 특성평가 및 성능비교 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어 화학공정에서 나노물질로 만들어진 다기능성 필름(투명전극, 분자 채 분리막 등)의 기계적∙광학적∙전기적 특성 등은 필름 내부의 복잡한 네트워크와 밀접한 연관성이 있기 때문에, 이에 대한 이해와 해석을 위해 고배율의 광학∙전자 현미경을 이용한다. 기존까지의 대부분의 연구는 현미경 영상으로부터의 정보를 정성적으로 ‘많고 적음’, ‘있고 없음’ 등으로 해석해 왔지만, 이러한 정보는 주관적이며, 제품의 특성 또는 성능을 정량적 비교하기에는 한계가 있다. 이에 우리는 현미경 영상으로부터 원하는 정량적 정보를 얻어내어 해석하는 방법에 대해서 소개하고자 한다. 여기에서 얻어지는 현미경 영상들은 디지털화 된 숫자로 구성된 행렬이기 때문에 다양한 정량적 접근 (대수, 통계, 기계학습, 최적화 등)을 통하여 원하는 정보를 얻어내는데 이용될 수 있다.

먼저 현미경으로부터 얻어지는 대부분의 영상들에는 다음과 같은 공통적인 문제점을 공유하고 있다 : 낮은 콘트라스트의 문제, 조명의 불균일성의 문제, 노이즈의 문제. 또한 3차원 영상을 촬영할 수 있는 FIB-SEM이나 Fluorescence confocal optical microscopy (FCOM) 등에서는 3차원적으로 정합(registration)이 되지 않는 문제 또한 발생될 수 있다. 이러한 문제을 완화하여 정량분석을 용이하게 하도록 도와주는 기술을 전처리(pre-processing)라 한다. 이러한 전처리가 제대로 처리되지 않는다면 부정확한 정량분석 결과가 얻어질 수 있기 때문에, 본 발표에서 이에 대한 영향력을 보여주고자 한다.

두 번 째로 두가지 현미경으로부터 얻어진 두 재료 영상에 대하여 정량분석을 한 결과를 소개한다: 1) SEM 영상으로 얻어진 나노와이어 2차원 네트워크에 대한 해석, 2) FCOM으로 얻어진 제오라이트 분리막 내 결함의 3차원 해석. 1)에서는 나노와이어의 area fraction, 방향성 분포, 길이분포, 저항해석 등의 내용에 대해서 소개하고, 2)에서는 porosity, tortuosity, 분리막간 성능의 비교에 대해서 소개한다. 해당 정량분석으로부터 얻은 자료는 소재 및 공정을 이해하여 최적의 소재 선택 및 공정 조건 선택에 중요한 열쇠가 될 것 이다.

Keywords: Quantitative image analysis, pre-processing, nanowires network, defects of zeolite membrane