MS&T 2026 소재 AI 발표 정리
Autonomous Experimentation · AI Agent · High-Throughput Characterization

Pittsburgh, David L. Lawrence Convention Center · 2026.10.5–6 청취 8건 · 정리 이민호(버추얼랩)

MS&T 2026에서 청취한 소재 AI 관련 발표 8건을 정리하였다. 대부분 ACerS의 “Autonomous Synthesis and Characterization: Experiments and Digital Twins for Theory-Enhanced Self-Driving Laboratories of the Future” 심포지엄 발표이다. 발표 내용에 관련 논문, 코드, 공개 자료를 찾아 보완하였으며, 각 발표는 배경 → 접근 방법 → 결과 → 시사점 순으로 구성하였다. 카드를 누르면 펼쳐진다.

발표 목록

일자발표기관
10/5① Cost-aware BO across a CALPHAD–Atomization–LPBF function networkBYU
10/5② Al 합금 first-principles 계산을 위한 LLM agent + knowledge graphKITECH · 동아대
10/5③ 강유전체 theory–experiment coupling을 위한 agentic AIAutonomous SDL 심포지엄
10/5④ Blacksmithing AI: open-die forging 공정 계획Ohio State (HAMMER)
10/6⑤ Beyond scalar objectives: expert pairwise feedback 기반 자율 실험ORNL
10/6⑥ High-throughput XRD · electron diffraction과 합성 루프 통합Rigaku
10/6⑦ Synthetic noise로 학습하는 STM denoisingUT Knoxville
10/6⑧ Novelty-aware autonomous microscopy + dual VAEORNL

주요 흐름 5가지

10/5 (월) 4건

① Cost-Aware Bayesian Optimization Across a CALPHAD–Atomization–LPBF Function Network for Critical Mineral-Lean Aluminum Alloy Discovery 계산 → 분말 → 3D 프린팅 → 평가로 이어지는 공정 체인을 하나의 function network로 모델링하고, 단계별 비용을 고려하여 다음 평가 대상을 선택하는 Bayesian optimization(BO)
Sterling Baird, Timothy Commins, Xavier Zaitzeff, Gage Erickson, Ronnie Guymon, Carl Robison · Brigham Young University (Vertical Cloud Lab)
10/5 08:30 · Autonomous Phase Mapping 세션 · 초청 강연

배경탐색 공간은 방대하고 실험 비용은 높다

  • Al 합금에 사용되는 원소는 약 30종이다. 0.1 wt% 격자 기준으로 조성 조합은 약 1.7×10¹⁴개이며, 공정 조건까지 포함하면 약 4.17×10³⁸개에 이른다.
  • 실험 1회 비용은 1 kg 기준 약 $1,000으로 전수 탐색은 불가능하다. 연구 목표는 핵심 광물 의존도를 낮춘(critical mineral-lean) 합금의 발굴이다.
  • 일반적인 BO는 “조성 입력 → 최종 물성” 전체를 하나의 black box로 취급한다. 따라서 중간 산출물(상평형 계산, 분말 품질, 프린팅 결과)과 단계마다 크게 다른 평가 비용을 활용하지 못한다.
Compositioninput x CALPHAD~$1 Atomization분말 제조 LPBF · 평가~$8,000 Node별 surrogate + uncertainty propagation 어느 단계까지 평가할지를 cost 대비 가치로 결정
발표 내용을 바탕으로 재구성한 개념도. 저비용 단계에서 후보를 선별하고, 고비용 프린팅·평가는 유망 후보에만 투입한다.

접근 방법공정 체인을 function network로 모델링

  • 입력 → CALPHAD 계산 → atomization → 품질 평가 → LPBF(laser powder bed fusion) 프린팅 → 주조·regression 등 약 8단계를 각각 node로 모델링한다. 각 node는 독립적인 surrogate model을 가지며, 앞 단계의 불확실성이 최종 예측까지 전파된다.
  • 단계별 평가 비용은 약 $1(시뮬레이션)부터 약 $8,000(실물 제작)까지 차이가 크다. 이를 acquisition function에 반영하여, 매 반복마다 전체 체인을 실행하지 않고 일부 node만 평가할 수 있도록 하였다.
  • 이론적 기반은 Astudillo & Frazier의 Bayesian Optimization of Function Networks(BOFN)와, node 일부만 평가하는 cost-aware 후속 연구인 p-KGFN이다. BOFN은 node별 Gaussian process(GP)를 연결하여 최종 출력의 posterior에 대해 expected improvement를 계산한다. p-KGFN은 cost 대비 knowledge gradient로 “어느 node를 어떤 입력으로 평가할지”를 결정한다.
  • 실험 하드웨어도 자체 제작하였다. Tilting, stepper motor, rotation으로 분말을 정량 배출하는 저가형 powder dispenser를 개발하였으며, 관련 설계를 Vertical Cloud Lab GitHub에 공개하고 있다(powder-doser, induction furnace, 분말 특성 평가 등).

결과

약 3.8배동일 성능 기준, 전수 screening 대비 비용 절감
약 $26,000발표에서 제시한 총 비용 수준
0.5 g / 2분Powder dispensing, 오차 1 mg 미만

시사점

  • 단계별 비용 차이가 큰 다단계 workflow(DFT → MLIP → 공정 시뮬레이션 → 실험 등)에 그대로 적용할 수 있는 framework이다.
  • 비용 절감 배율은 단계별 비용 가정과 benchmark 설정에 크게 좌우된다. Node 수가 늘어날수록 각 node의 uncertainty calibration이 중요해진다.
  • 장비와 코드를 공개하며 원격 접속형 cloud lab으로 확장하려는 방향이어서, 외부 협업의 접점이 넓은 그룹이다.
② An Autonomous LLM Agent and Knowledge Graph Framework for First-Principles Calculations of Aluminum Alloys LLM agent가 DFT 입력을 준비하고 결과를 검토하며, 계산 기록과 합금 지식을 knowledge graph로 연결하는 국내 연구
DongEung Kim, Moon-jo Kim, Sanga Lee (한국생산기술연구원, KITECH) · Hak-sung Lee (동아대학교)
10/5 08:50 · ①과 동일 세션

배경DFT는 계산 자체보다 준비와 검토에 손이 많이 간다

  • 합금 표면 계산에는 slab model 구성, adsorption site 선택, 계산 조건 설정, 수렴성 확인 등 수작업이 많다.
  • 에너지 차이 하나를 구하는 데 slab model 4개가 필요하므로, 용질 원소와 adsorption site 조합이 늘어나면 계산 건수가 급격히 증가한다.
  • 산업 현장의 Al 합금 설계는 JMatPro, Thermo-Calc(TCAL) 등 CALPHAD database에 의존한다. Database마다 상 형성 예측이 달라, 어떤 database를 기준으로 조성을 선택할지도 판단이 필요하다.

접근 방법LLM은 판단, 실행은 controller

  • LLM agent는 계산 입력을 준비하고 출력을 검토한다. 작업과 session 관리는 Python controller가 담당하여, LLM이 루프 전체를 제어하지 않는 구조이다.
  • 계산 기록과 합금 지식을 knowledge graph로 연결하여 결과의 재사용성과 추적성을 확보한다.
  • Adsorption site 탐색에는 energy와 force를 활용하는 “BASC”가 언급되었다. 문맥상 potential energy surface에서 최적 흡착 위치를 BO로 탐색하는 Bayesian Active Site Calculator(ICML 2016)로 판단된다.
  • 사례 연구로 Al-Mg 표면의 산소 흡착과 charge transfer를 다루었다.
순수 및 Zn·Mg·Cu 도핑 Al(111) 표면의 O2 흡착 구조 (Ji et al. 2022)
배경 참고: 순수 및 Zn·Mg·Cu 도핑 Al(111) 표면에서의 O₂ 흡착 구조. 발표 그룹의 결과가 아닌 관련 선행 연구이다. Ji et al., Front. Chem. 10:930900 (2022), Fig. 3, CC BY.

결과

  • Al-Mg 표면에서 bridge site 산소는 hollow site 산소보다 더 많은 전자를 받는다.
  • 이 효과는 Mg가 인접한 Al-Mg bridge site에서 더 강하게 나타났다. Mg가 표면 산화를 촉진한다는 기존 계산 결과와 같은 경향이다. 위 그림의 선행 연구에서도 Mg 도핑 시 O₂ adsorption energy는 −9.10 eV로, 순수 Al(111)의 −8.52 eV보다 강하였다.
  • Agent 자체의 성공률이나 소요 시간 등 정량 지표, knowledge graph schema는 아직 공개되지 않았다.

시사점

  • “LLM은 입력 준비와 검토, 실행은 deterministic controller”라는 설계는 최근 VASP Agent 등 해외 사례와 같은 방향이며, 안정성 측면에서 현실적인 선택이다.
  • DFT 계산 기록을 CALPHAD 및 실험 데이터와 graph로 연결하는 것은 계산 재사용과 provenance 관리에 유용하다. Schema가 공개되면 다른 소재 knowledge graph와 비교할 가치가 크다.
  • 국내 그룹인 만큼 세부 구조와 benchmark는 직접 교류를 통해 확인하기 좋다.
③ Agentic AI Systems for Theory-Experiment Coupling in Ferroelectrics PFM 실험과 phase-field simulation을 하나의 루프로 연결하고, 그 과정의 의사결정 근거를 기록하는 infrastructure
Autonomous Synthesis and Characterization 심포지엄 (Agentic AI Platforms for Autonomous Science 세션)

배경LLM은 문제를 재정의하지 못한다

  • 연구자는 100번 실패하면 목표나 문제 정의를 의심하지만, LLM은 좁은 경로에 갇혀 같은 방향을 반복하는 경향이 있다.
  • Open-ended research에서는 개념적 도약보다 점진적인 결과를 내는 데 그친다. AI agent에게 미발표 연구 과제를 6일간 수행시킨 실험에서도 engineering 작업은 수행했지만 연구 질문 자체는 진전시키지 못했다는 보고가 있다(Kirgis et al. 2026).
  • Agent에게 결여된 것은 “scientific context”이다. 측정 신뢰도, 장비 상태(최근 교정 및 downtime), 현재의 가설, 실패한 실험은 연구자의 머릿속에만 존재한다.
  • Airflow, Prefect 등의 workflow tool은 무엇을 언제 실행했는지만 기록하고, 어떤 판단에 따라 그 선택을 했는지는 남기지 않는다.
PFM pulse switchingvoltage · pulse width 변화 Polarization mapdomain image에서 추출 Phase-field simulationNERSC 병렬 실행 Parameter optimization다음 실험 조건 결정 기록 계층: 가설 · 기각 모델 · override · negative result Knowledge card(prior · rule · caveat)로 campaign 초기화
발표 내용을 바탕으로 재구성한 루프. Workflow 위에 의사결정 이력을 남기는 계층을 둔 것이 핵심이다.

접근 방법Scientific context를 데이터로 만든다

  • Guardian apps: 측정 품질과 장비 상태에 대한 전문가 판단을 규칙으로 encoding하여 workflow에 삽입한다.
  • SciLedger(발표에서 소개된 명칭): 실험·시뮬레이션 결과가 축적됨에 따라 변하는 “scientific interpretive state”를 기록한다. 기각된 모델, human override, 의견 불일치와 그 해소 근거를 저장한다. 동명의 2022년 blockchain 기반 workflow provenance 시스템(Boise State)과는 별개이다.
  • Knowledge card: 전문가의 prior, rule, caveat을 card 형태로 저장하고, database에서 선택하여 campaign을 시작한다.
  • Stage graph: 실험·분석·계산 단계를 YAML로 정의한다.
  • 적용 사례: piezoresponse force microscopy(PFM)로 강유전 박막에 voltage와 pulse width를 바꿔 가며 domain을 형성하고, 얻어진 polarization map을 NERSC의 phase-field simulation에 입력하여 model parameter를 최적화한 뒤 다음 실험 조건을 정한다.

결과

수개월 → 3일실험–phase-field model fitting 1 cycle
  • 초기에는 gradient term만 최적화하였으나 충분하지 않았고, screening term과 anisotropic strain term을 추가하자 domain 구조의 residual이 크게 감소하였다. 루프를 통해 모델에서 누락된 물리(hidden physics)가 드러난 사례이다.
  • Phase response가 180°가 아닌 190°로 측정된 건을 measurement artifact 의심 사례로 기록하고, 검증 후 해소한 과정까지 ledger에 남겼다.
  • Agent의 다음 측정 제안은 유용성이 엇갈렸다. Domain wall width 측정 제안은 의미가 없었던 반면, domain growth rate가 가장 빠른 parameter 구간을 측정하자는 제안은 유용하였다.

시사점

  • 발표자는 “AI의 기여는 작고 가속은 infrastructure에서 나왔다”고 정리하였다. Autonomous experimentation의 병목은 모델보다 실험–계산 연결과 context 관리에 있다.
  • 기각된 가설, human intervention, negative result를 first-class data로 다루면 agent가 같은 실수를 반복하지 않도록 할 수 있다. Knowledge graph 및 ontology 기반 연구 플랫폼에 직접 적용할 수 있는 개념이다.
  • 새로운 physics term을 추가하는 문제 재정의는 결국 사람이 수행하였다. LLM의 한계에 대한 논의와 맞닿는 부분이며, 3일 사례는 단일 사례이므로 일반화에는 주의가 필요하다.
④ Blacksmithing AI: Multimodal Process Planning for Autonomous Open-Die Forging 대장장이 tutorial 영상에서 단조 순서를 학습하여 robotic forging 장비 Agility Forge의 공정 계획에 활용하려는 연구
Ohio State University, NSF HAMMER Engineering Research Center (Agility Forge 플랫폼)

배경Open-die forging은 여전히 숙련공의 영역

  • Open-die forging(자유단조)은 다품종 소량 생산이 많아 자동화가 어렵고, 공정 순서는 숙련공의 경험에 의존한다.
  • Agility Forge는 HAMMER ERC가 개발한 “robotic blacksmith”로, CNC 위치 제어, induction coil, servo press, line scanner, digital twin을 결합하였다. 2025년 2월 이후 tie rod, extruder screw, bolt 등 수십 종의 부품을 제작하였다.
  • 현재는 정해진 단계를 순차적으로 반복하는 방식이다. 시뮬레이션 기반 최적화(CMA-ES, 병렬 시뮬레이션 100개)로 공정을 계획하면 수 시간이 소요된다(Daehn, 2026).
  • 목표는 중간 형상과 그 사이의 조작(waypoint)으로 공정을 계획하는 모델이지만, 이러한 공정 순서 dataset 자체가 존재하지 않는다.
Tutorial 영상YouTube Whisper음성 → 단계 RT-DETRworkpiece 검출 SAMsegmentation 2D → 3D shapeocclusion 문제 용어 표준화operation · tool · shape LLM (QLoRA)staged curriculum → geometry 검증 script · line scanner로 실제 단조품과 비교
발표 내용을 바탕으로 재구성한 데이터 추출 파이프라인.

접근 방법영상 → 구조화된 공정 데이터 → LLM

  • Whisper로 음성을 text로 변환하여 조작 단계를 식별하고, 각 단계 전후의 frame을 추출한다. RT-DETR(Real-Time Detection Transformer)로 workpiece를 검출하고 SAM(Segment Anything Model)으로 silhouette을 분할한 뒤, 2D silhouette으로부터 3D 형상을 생성한다.
  • “hammer it thinner”, “drawing out”, “reducing the cross section”처럼 장인·학계·산업계가 다르게 부르는 동일한 조작을 operation type, tool, shape change 속성으로 표준화하였다.
  • LLM은 QLoRA로 fine-tuning하며, 전체 순서를 한 번에 예측하지 않고 단계적으로 학습시킨다. 다음 조작 예측 → 조작 후 형상 예측 → 두 가지의 결합 → 여러 단계 앞 예측의 순서이다.
  • LLM 출력은 별도의 geometry 검증 script로 hallucination 여부를 확인하고, line scanner로 시뮬레이션 형상과 실제 단조품을 중첩 비교한다.

결과

  • 현재의 선형 모델로 시뮬레이션한 형상과 실제 단조품의 scan 형상이 잘 일치하는 사례를 제시하였다. 정량 지표는 발표되지 않았다.
  • 손가락이 workpiece를 가린 frame에서 3D 형상이 왜곡되는 등 영상 기반 복원의 한계도 함께 보고하였다.
  • 향후 타격 위치, 하중, 결과 단면적까지 지정하고, bending·twisting·punching으로 조작을 확장하며, texture 및 recrystallization 모델로 미세조직까지 예측할 계획이다.

시사점

  • 구조화된 데이터가 없는 숙련 공정에서 영상·음성·segmentation 모델로 지식을 추출하는 방식은 다른 숙련 공정에도 적용 가능하다.
  • 영상에는 하중, 온도, 타격 위치 정보가 없어 모델은 공정 물리보다 “형상 문법”을 학습하게 된다. Agility Forge는 하중·변위·온도 이력을 기록하므로(TMS 2026 abstract), 궁극적으로는 장비 log와의 결합이 필요하다.
  • Q&A에서는 교육 목적의 YouTube 영상을 상업용 robot 학습에 활용할 때의 지식재산권 문제가 지적되었다.

10/6 (화) 4건

⑤ Beyond Scalar Objectives: Expert-Feedback-Driven Autonomous Experimentation for Nanoscale Discovery “A가 B보다 낫다”는 전문가의 pairwise comparison만으로 autonomous microscope를 구동하는 deep-kernel pairwise learning(DKPL)
R. Bulanadi, J. Baxter, A. Biswas, H. Funakubo, D. Meier, J. Schultheiß, R. Vasudevan, Y. Liu · ORNL CNMS, UT–Oak Ridge Innovation Institute, Institute of Science Tokyo, NTNU
논문: arXiv 2605.21820 (2026.5)

배경Scalar 하나로는 발견을 놓친다

  • 기존 autonomous experimentation 루프는 spectrum이나 image를 peak position, loop height, coercive voltage, nucleation voltage 같은 scalar descriptor 하나로 압축하여 모델에 입력한다.
  • 이 방식에는 세 가지 한계가 있다. Descriptor를 실험 전에 미리 정의해야 하고, 고차원 정보가 손실되며, 적절한 scalar를 정의하기 어려운 데이터도 많다.
  • 같은 그룹은 사람이 관심 spectrum을 선택하거나 데이터 품질에 투표하는 human-in-the-loop 방식을 발전시켜 왔으며, DKPL은 그 연장선에 있다.
Measurement (3D PFM)새 위치 2곳의 고차원 데이터 Expert comparisonA > B · tie (equal)+ confidence (weak–strong) Deep kernel + pairwise GPNN latent space 위에서latent utility 학습 Acquisition (UCB)utility가 높을 것으로예상되는 위치 선택
논문 내용을 바탕으로 재구성한 DKPL 루프. 전문가는 점수를 매기지 않고 어느 쪽이 더 흥미로운지만 판단한다.

접근 방법절대 점수 대신 상대 비교

  • Neural network가 image patch 등 고차원 입력을 저차원 latent space로 변환하고, 그 위에서 pairwise preference GP가 latent utility function을 학습한다. Network와 GP는 marginal likelihood 최대화를 통해 함께 학습된다.
  • 매 반복에서 새로 선택된 두 점을 서로 비교하고, 각 점을 현재 최고 utility 점과도 비교하여 총 3회의 비교를 받는다.
  • 실제 판단이 명확하지 않은 경우를 반영하여 두 가지 요소를 추가하였다. 비교마다 confidence(weak · moderate · strong)를 받아 학습 가중치로 사용하고, “두 결과가 비슷하다”는 equal preference(tie) 응답도 허용한다.
  • 다음 측정 위치는 UCB(upper confidence bound)로 선택한다. 실제 실험은 같은 그룹의 3D PFM 자동화 플랫폼(Auto-3DPFM)에서 수행하였다.

결과

  • Benchmark(PbTiO₃ 박막 BEPS 데이터, loop area를 ground truth 대용으로 사용): baseline은 noise가 많고 domain 구조를 포착하지 못하였다. Confidence만 추가했을 때는 개선이 미미했고, tie 허용이 큰 개선을 가져왔으며, 두 요소를 함께 사용했을 때 a/c domain 대비가 가장 뚜렷하였다.
  • Baseline은 signal-to-noise ratio가 낮은 in-plane a domain을 과도하게 sampling한 반면, tie를 허용한 모델은 loop area가 큰 c domain에 sampling이 집중되었다. 발표에 따르면 benchmark의 전문가 판단은 시뮬레이션으로 대체한 것이다.
  • PZT(rhombohedral 다결정): 20 round 동안 높은 utility가 71°·109°가 아닌 180° domain wall에 대응하였고, 학습된 모델은 다른 영역에도 transfer되었다.
  • ErMnO₃: utility가 domain wall의 tail-to-tail 특성에 따라 순위를 매겼다.
56%PZT 실험에서 tie로 응답한 비교 비율
18%ErMnO₃ 실험의 tie 비율

시사점

  • Objective function을 정의하기 어려운 탐색 문제에서 실용적인 대안이다. Preference 기반 GP는 BoTorch의 PairwiseGP 등으로 이미 구현되어 있어 적용 장벽이 낮다.
  • Confidence weight보다 equal preference 허용의 효과가 컸다는 점은 설계상 중요한 교훈이다. 실제 실험에서 절반 이상의 비교가 tie였다는 결과가 이를 뒷받침한다.
  • 결과가 주로 정성적이고, 반복마다 전문가가 3회 비교해야 하며, 학습된 utility가 전문가의 bias를 그대로 반영한다는 한계가 있다.
⑥ High-Throughput X-Ray and Electron Diffraction Characterization and its Integration into Materials Synthesis High-throughput XRD·electron diffraction의 자동 판독과, self-driving lab에 장비를 연결하기 위한 Rigaku의 API·digital twin
Rigaku (장비 vendor 발표)

배경합성 속도를 분석이 따라가지 못한다

  • Self-driving lab은 합성 속도를 크게 높였지만, 구조 분석(XRD, electron diffraction)에 사람이 개입하면 루프가 닫히지 않는다.
  • Crystal structure prediction(CSP)은 가능한 다형체(polymorph)를 crystal energy landscape로 제시한다. 실제로 어떤 조건에서 어떤 polymorph가 생성되는지는 실험으로 확인해야 한다.
  • Single-crystal XRD는 마이크론 이상의 결정이 필요하지만, COF·MOF·의약품 등은 nanocrystalline 분말로만 얻어지는 경우가 많다.
  • 장비마다 API와 데이터 형식이 달라 orchestration이 어렵다.
Powder XRD 측정 Peak 존재? Data quality 충분? Database match? SCXRD / 3D ED Amorphous 측정 조건 수정 Phase ID NoNoYesUnknown
발표에서 소개된 자동 판독 흐름을 재구성한 것. 시료마다 사람의 개입 없이 다음 단계를 결정한다.

접근 방법측정 → 판독 → escalation의 자동화

  • High-throughput XRD: 96·120-well plate를 일괄 측정한다. CSP로 알려진 polymorph 지도를 작성한 뒤, 노력의 80%는 prior를 따르고 20%는 prior에 도전하는 탐색에 배분할 것을 제안하였다.
  • 자동 판독 흐름(위 그림): peak가 없으면 amorphous로 저장하고, 데이터 품질이 부족하면 측정 시간이나 광학계를 변경하여 재측정한다. Database에 없는 상은 single-crystal XRD 또는 electron diffraction으로 넘긴다.
  • LabLinc Studio: 사용자의 Python orchestration 코드와 장비를 연결하는 RAI(Rigaku Automation Interface), 판정 logic을 포함한 XRD recipe(flow template), robot 및 자동 door, 장비 도입 전 코드를 검증하는 digital twin으로 구성된다. 최소 구성(장비 + API)부터 turnkey 통합까지 단계별로 제공된다.
  • Electron diffraction(XtaLAB Synergy-ED): 20–200 nm nanocrystal이 대상이다. 분말을 분쇄하여 grid에 올리면 software가 개별 입자를 찾아 tilt series를 자동 수집하고, unit cell parameter로 clustering하여 polymorph를 분류한다.

결과

~200 시료/야간Electron diffraction 무인 측정 (발표)
~1,000 입자주말 동안 수집, polymorph 5종 자동 분류 (발표)
42 / 505종 혼합 분말에서 입자 단위 동정 (Rigaku application note)
  • 발표에서 인용한 closed-loop 사례는 Yaghi 그룹의 LFAST(JACS 2026)로 보인다. GPT-4o가 문헌을 분석하여 96-well 합성 조건을 제안하고, high-throughput PXRD의 crystallinity index(저각 peak FWHM의 역수)를 기준으로 다음 batch를 결정하였다. Exploitation:exploration 비율은 60:40에서 80:20, 90:10으로 조정되었다.
    • 신규 COF-2000의 crystallinity index는 4 batch 만에 15.97(+381%)까지 향상되었고, 결정성 well 수는 batch당 20개에서 38개로 증가하였다.
  • Rigaku가 참여한 일본 dLab(Institute of Science Tokyo, 도쿄대)은 sputtering, XRD, SEM, Raman 등을 module로 연결하고, 데이터를 일본 표준 XML 형식인 MaiML(JIS K0200)로 저장한다. LiCoO₂(001) 박막의 최적 기판 온도(660 °C)를 BO 14회차에서 찾았다(Digital Discovery 2025).

시사점

  • 장비 vendor가 Python API와 digital twin을 공식 제공하면서 closed-loop 구축 비용이 낮아지고 있다. 다만 robot 연동과 시료 준비는 여전히 병목이며, API는 vendor별로 상이하다.
  • Crystallinity index는 간편한 reward이지만 목표 상의 생성 여부까지 보장하지는 않는다. Single-crystal XRD와 electron diffraction으로의 escalation 단계가 중요한 이유이다.
  • 입자 단위 electron diffraction과 clustering으로 CSP energy landscape를 실제 생성 상과 대조할 수 있게 되었다. 처리량 수치(야간 200 시료 등)는 vendor 발표 기준이다.
⑦ Learning from Synthetic Noise: Simulation Toolkit for DL-driven STM Denoising / Feature Extraction / Drift Correction 물리 시뮬레이션으로 생성한 clean STM image에 현실적인 noise를 합성하여, 불가능했던 supervised denoising을 구현
Huanhuan Zhao, Laxmi Bhurtel, Connor Vernachio, Fahmy Paiziah, Wonhee Ko, Arpan Biswas · University of Tennessee, Knoxville
논문: arXiv 2609.36639 (2026.9)

배경STM에는 ground truth image가 없다

  • Scanning tunneling microscopy(STM)는 원자 분해능을 제공하지만 기계적 진동, 전기적 noise, 1/f noise, scan line artifact, drift에 매우 민감하다. 신호가 약한 영역에서는 관찰 대상인 electron standing wave가 noise에 묻힌다.
  • Supervised denoiser는 성능이 우수하지만, 동일 영역의 clean/noisy image pair를 실험적으로 얻는 것은 불가능하다.
  • Unsupervised 모델(Noise2Void, GDM)은 줄무늬 일부만 제거하고 물리적 특징은 복원하지 못하며, 불균일한 background 같은 새로운 artifact를 만들기도 한다.
Clean imageCu(111): 산란 이론Pb(111): TB LDOS Noise 5종 합성Gaussian · driftbackground · 1/f · stripe Paired dataset시스템당 1,000쌍split 8:1:1 SupervisedRestormer · NAFNet 실측 STM에 적용Cu(111) · Pb(111)
논문 내용을 바탕으로 재구성한 sim-to-real 파이프라인.

접근 방법물리 시뮬레이션 + parametric noise model

  • Clean image: Cu(111)은 결함 2–8개 주변의 surface state standing wave를 Fiete–Heller scattering theory로 계산한다(512×512 Å). Pb(111)용 triangular lattice는 PyBinding tight-binding model에서 kernel polynomial method로 LDOS를 계산한다(lattice constant 0.35 nm).
  • Noise 5종: Gaussian(σ 0.01–0.03), row-by-row drift(행당 최대 3 px), paraboloid background(bowl · dome · saddle), 1/fβ flicker(β 1–3), periodic stripe(1–5개). 각 성분에 0–0.1의 random weight를 곱해 clean image에 더한다.
  • 모델: supervised 모델인 NAFNet과 Restormer를 unsupervised 모델인 N2V, GDM(N2V + FFT loss)과 비교하였다.
  • Hallucination 검증: 0, 5, 15 T에서 측정한 Cu(111) image의 차이를 “subtraction 후 denoising”과 “denoising 후 subtraction” 두 경로로 각각 구해 비교하였다.
  • Noise 생성기는 YAML 설정 기반 Python package로 공개되었다(GitHub, MIT license).

결과

Model (simulated Cu(111) test set)PSNRSSIM
GDM (unsupervised)22.640.79
N2V (unsupervised)22.810.58
NAFNet (supervised)26.600.94
Restormer (supervised)36.330.98
  • Simulation 데이터로만 학습한 Restormer는 실측 Cu(111)(scan size 300–500 Å)에서 원자, 결함, standing wave를 보존하면서 noise를 제거하였다. 신호가 매우 약한 영역에서도 기저 pattern이 복원되었다.
  • Pb(111) 실측 image(20–30 Å)에서도 unsupervised 모델이 남긴 불균일 background 없이 원자 배열을 복원하여, 원자 계수 등 후속 분석이 가능해졌다.
  • 자기장 difference image에서 두 경로가 동일한 standing wave pattern을 보여, 모델이 pattern을 생성(hallucination)한 것이 아님을 확인하였다. 다만 denoising이 intensity scale을 변화시키므로 비교는 정성적이다.

시사점

  • “물리 기반 clean data + 장비 noise library”로 paired data 부족을 우회하는 sim-to-real 방법론이다. AFM, STEM 등 다른 scanning probe 및 현미경 데이터에도 적용할 수 있다.
  • 성능의 상한은 simulator가 결정한다. 단순 금속 표면에는 효과적이지만, surface reconstruction이나 흡착물이 있는 경우 DFT 수준의 image simulation이 필요하다. Noise weight 역시 장비에 fitting한 값이 아닌 수동 설정 범위이다.
  • Hallucination 검증은 ground truth 비교가 아닌 consistency check이다. 그럼에도 두 경로 비교는 생성형 복원 결과를 검증하는 간단하고 유효한 방법이다.
⑧ Novelty-Aware Autonomous Microscopy for Nanoscale Discovery 목표 물성 없이 새로운 구조와 새로운 spectrum을 탐색하는 autonomous AFM과, 구조–IV 상관을 분석하는 dual VAE
Yongtao Liu (ORNL CNMS) 발표 · 관련 논문 Jiawei Gong, Danqing Ma, Ralph Bulanadi, Robert Moore, Rama Vasudevan, Lianfeng Zhao, Yongtao Liu, arXiv 2603.17028 (코드 README에는 ACS Nano 게재로 표기)

배경구조와 물성은 many-to-many 관계

  • 기존 deep kernel learning(DKL) 기반 autonomous experiment는 여러 구조 특징으로 하나의 scalar 물성을 예측하는 many-to-one 구조이다.
  • 실제 나노 구조(결정립 크기, roughness, 입계 각도 및 개수)와 spectrum 응답(전도도, turn-on voltage, saturation current, hysteresis)은 many-to-many 관계로 얽혀 있다.
  • 미리 정한 물성을 최적화하면 sampling이 특정 거동으로 편중되어 예상하지 못한 현상을 놓치게 된다.
  • 같은 그룹은 앞서 novelty score 기반 탐색인 INS2ANE(ACS Nanosci. Au 2026)를 발표하였으며, 이번 연구는 이를 구조와 spectrum 두 축으로 확장하였다.
AFM topographylocal image patch c-AFM IV curvefull spectrum 사용 Structural novelty기존과 다른 형상 Spectral noveltyDKL 학습 target Gatedacquisition 측정 후: dual VAE로 image · IV latent space 정렬
논문 내용을 바탕으로 재구성한 개념도.

접근 방법Novelty로 측정하고 dual VAE로 해석

  • Spectral novelty: 새 IV curve가 기존 측정 curve들과 얼마나 다른지를 계산하여, physical descriptor 대신 DKL의 학습 target으로 사용한다.
  • Structural novelty: 아직 측정하지 않은 위치의 topography patch가 기존 patch와 얼마나 다른지를 계산한다.
  • 두 score를 gating 방식으로 결합하여 다음 측정 위치를 결정한다. 초기 10점과 autonomous 200 step, 총 210개의 IV curve를 측정하였다.
  • Dual VAE: image VAE와 IV VAE를 함께 학습하면서 두 latent space를 정렬하는 loss term을 추가하여, 구조–물성 공유 latent map을 구성한다.
  • 시료는 Cs₀.₀₅MA₀.₀₅FA₀.₉₀PbI₃ hybrid perovskite 박막이며, 동일 박막으로 제작한 소자의 효율은 20.38%이다. 측정은 Asylum Cypher AFM에서 AEcroscopy 플랫폼으로 제어하였다.

결과

  • 측정 diversity는 초기에 급증한 뒤 약 20 step 이후 감소하였고, 이후 간헐적으로 다시 증가하였다. 이 증가 구간이 새로운 구조 또는 spectrum을 만난 시점이다.
  • Dual VAE latent space에서 일부 영역은 구조–IV 상관이 강했고 일부는 약했다. 상관이 약한 영역은 topography 외의 다른 물리적 메커니즘을 시사하는 것으로 해석하였다.
  • IV hysteresis는 결정립 내부에서 입계로 갈수록 점진적으로 커졌으며, 다음 세 가지 거동군으로 구분되었다.
구분위치IV 거동
Club결정립 내부0.5–1.0 V에서 hysteresis
Heart입계 · triple junctionDouble hysteresis(0–0.5 V, 0.7–1.3 V), turn-on ~0.2 V, 높은 전류
Diamond비대칭 입계1.3–1.5 V hysteresis, turn-on ~1.3 V, 전류 크게 억제

Diamond군의 전류 억제는 국소 energy barrier 또는 band misalignment 가능성으로 해석되었으며, 저자들은 기존 문헌에 보고되지 않은 거동이라고 밝혔다.

  • 선행 연구 INS2ANE의 benchmark(PbTiO₃ hysteresis loop 10,000개, 200회 반복)에서 novelty 기반 탐색은 physical descriptor 기반보다 낮은 오차(NME 최소값 0.15 vs 0.18)를 보였다. Descriptor 기반 탐색은 후반부에 오히려 0.30까지 악화되었다.

시사점

  • Novelty를 surrogate model의 학습 target으로 사용하면 수작업 descriptor 없이 탐색이 가능하다. 측정 후 image–spectrum 상관 분석에 사용한 dual VAE도 재사용성이 높은 도구이다.
  • Novelty는 “다른 것”을 찾을 뿐 “의미 있는 것”을 보장하지 않는다. 발표자 역시 “알고리즘은 데이터를 정리할 뿐, 메커니즘 해석은 연구자의 몫”이라고 강조하였다.
  • ⑤와 상호 보완적이다. Novelty로 넓게 탐색하고 expert preference로 관심 영역에 집중하는 조합이 자연스럽다.
  • Q&A에서는 데이터 200점의 충분성과 latent space 정렬 loss의 구체적 형태에 대한 질문이 있었다. 실험은 단일 run이므로 재현성 확인이 다음 과제이다.

총평

즉시 적용 가능성이 높은 기술은 pairwise preference 기반 active learning(⑤)이다. Objective를 수치로 정의하기 어려운 연구는 많고, preference 기반 GP는 이미 open-source로 구현되어 있다. 실제 실험에서 절반 이상의 비교가 tie였다는 결과는 사람의 판단을 받는 interface 설계에 중요한 시사점을 준다.

가장 오래 남을 메시지는 ③의 “가속은 infrastructure에서 나온다”이다. Negative result, 의사결정 근거, 장비 상태 같은 context를 데이터로 남기는 일이 agent 시대의 실질적인 경쟁력이 될 것이다. 문헌에는 성공한 실험만 남기 때문이다.

범용성이 높은 방법론은 ⑦의 sim-to-real 접근이다. Ground truth를 알고 있는 synthetic data로 학습하고 검증하는 방식은 현미경 image뿐 아니라 문헌 figure 판독 등 다른 문제에도 적용할 수 있다.

반면 대부분의 autonomous experimentation 사례는 아직 단일 장비, 수백 점 규모의 단일 실험에 머물러 있어 일반화된 성과로 보기에는 이르다. 관련 연구를 수행하는 분들의 의견을 듣고 싶다.