← Back to Research

AI Data Segmentation & Quantitative Electron Microscopy AI data segmentation과 전자현미경 정량해석 기술

Original SEM Segmentation reference: PC in red, SC in blue SEM Segmentation · Human GT

Drag to compare · Use arrow keys when focused · Reference annotation shown 좌우로 드래그하여 비교 · 키보드 방향키 지원 · 연구자 주석 기준 영상

Separating two particle populations in a bimodal microstructure is far more challenging for AI than it appears. Bi-modal한 미세구조에서 서로 다른 두 입자군을 AI가 정확하게 구분하는 일은 보기보다 훨씬 까다롭습니다.

A single microscopy image can contain thousands of particles and interfaces, while 4D-STEM and EELS generate vast multidimensional datasets. Turning these observations into meaningful measurements requires reliable identification of the regions we want to analyze. AEML develops AI-assisted segmentation workflows that separate particles, coatings, pores, and other regions of interest, then quantify their size, shape, and spatial distribution. By connecting these regions with diffraction and spectroscopy, we extend local observations into statistically meaningful materials analysis. 전자현미경 영상에는 수많은 입자와 계면이 담겨 있으며, 4D-STEM과 EELS는 단일 실험에서도 방대한 다차원 데이터를 만들어냅니다. 이를 의미 있는 측정값으로 바꾸려면 분석하려는 관심 영역(ROI)을 정확하게 구분하는 기술이 필요합니다. AEML은 AI를 활용하여 입자·코팅층·기공 등 필요한 영역을 분할하고, 크기·형상·공간 분포를 정량화하는 워크플로우를 개발합니다. 나아가 분할된 영역을 회절·분광 정보와 연결하여, 국소 관찰을 통계적으로 유의미한 소재 해석으로 확장합니다.

From images to measurements

Electron microscopy reveals fine detail, but an image alone does not tell us how many particles are present, how their sizes are distributed, or how uniformly a coating covers a surface. Segmentation turns the regions of interest in an image into objects we can measure. We develop AI-assisted workflows that identify particles, coatings, pores, and interfaces and connect their geometry with quantitative materials analysis.

The aim is to compare entire populations across fields of view, not just a few selected features. This provides a basis for detecting changes after processing, describing sample-to-sample variation, and testing which microstructural features are associated with performance.

Why particle boundaries are a difficult problem

A bimodal microstructure can look easy to interpret: large rounded particles coexist with smaller, irregular particles. Yet similar contrast, surface texture, overlapping particles, and agglomeration obscure their boundaries. A model may split one particle into several objects or merge neighboring particles into one. Both errors can distort the resulting size distribution even when the overlay looks plausible.

Our approach combines microscopy-informed annotation, image processing, and AI segmentation. The definition of an object follows the scientific question: separating individual particles, identifying a coating, and measuring pore connectivity require different criteria. We examine the resulting masks against reference annotations and assess how errors affect the measurements used to compare materials.

Beyond morphology: structure and chemistry

The value of a segmented region grows when it can be connected to other microscopy signals. EDS / EELS can reveal composition and bonding, while 4D-STEM provides information on phase, orientation, and strain. Linking these signals to the same region would allow us to ask whether a particular particle population has different chemistry, whether a coating remains continuous, or whether structural changes concentrate near an interface.

We are developing analysis strategies that connect spatial alignment, region selection, and signal integration. Averaging within physically meaningful regions can improve interpretability while retaining differences that disappear in a whole-image average. The goal is a coherent description of each feature—its shape, its structure, and its chemical environment—rather than separate maps that are difficult to compare.

Measurements that guide materials design

Useful quantitative analysis must remain consistent across fields of view and samples. Imaging conditions, spatial resolution, boundary particles, and overlapping features all influence the statistics. We therefore consider segmentation quality together with sampling and measurement definitions, so that changes in an analysis pipeline are not mistaken for changes in the material.

Our workflows connect particle size and shape distributions, area fractions, coating coverage, and spatial relationships with processing conditions and material response. The outcome is a set of measurements that helps choose the next experiment. By identifying which populations change, where heterogeneity develops, and which features correlate with degradation, quantitative microscopy can support process optimization and more focused materials design.

영상에서 측정값으로

전자현미경은 미세한 구조를 선명하게 보여주지만, 영상만으로 입자의 개수와 크기 분포, 코팅의 균일성까지 알 수 있는 것은 아닙니다. Segmentation은 영상 속 관심 영역을 측정 가능한 대상으로 바꾸는 출발점입니다. 입자·코팅층·기공·계면을 구분하고, 각 영역의 크기·형상·면적분율·공간적 관계를 정량화하는 AI 기반 분석 기술을 개발합니다.

대표적인 몇 개의 입자에서 얻은 관찰을 여러 시야의 입자 집단으로 확장하면, 공정 전후의 변화와 시료 간 편차를 더 체계적으로 비교할 수 있습니다. 어떤 미세구조가 성능 차이와 연결되는지 검토하고, 국소적인 관찰을 소재 전체를 이해하는 근거로 발전시키는 것이 목표입니다.

보기보다 어려운 입자의 경계

큰 구형 입자와 작은 불규칙 입자가 공존하는 bi-modal 미세구조는 사람이 보면 쉽게 구분되는 듯합니다. 그러나 비슷한 명암, 표면의 요철, 입자 간 겹침과 응집은 AI가 경계를 판단하기 어렵게 만듭니다. 하나의 입자를 여러 개로 나누거나 인접한 입자를 하나로 합치면, 분할 영상이 그럴듯해 보여도 최종 입도 분포와 개수는 크게 달라질 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 전자현미경 분석 경험에 기반한 주석 기준, 영상 처리, AI segmentation을 결합합니다. 개별 입자를 구분할 것인지, 코팅층을 추출할 것인지, 기공의 연결성을 측정할 것인지에 따라 관심 영역의 정의도 달라집니다. 연구 질문에 맞춰 분할 기준을 세우고, 기준 주석과의 비교뿐 아니라 분할 오차가 실제 측정량에 미치는 영향까지 함께 평가합니다.

형태를 넘어 구조와 화학으로

분할된 영역에 다른 전자현미경 신호를 연결하면 분석의 깊이가 달라집니다. EDS / EELS로 조성과 결합 상태를, 4D-STEM으로 상·방위·변형률을 해석하여, 특정 입자군의 화학적 차이와 계면 주변의 구조 변화를 같은 위치에서 비교하는 분석을 지향합니다. 입자의 모양이 달라진 이유, 코팅이 유지되는 영역, 열화가 집중되는 위치를 여러 신호의 관계에서 찾고자 합니다.

이를 위해 영상 간 위치 정합, 관심 영역의 선택, 영역별 신호 적분을 연결하는 분석 방법을 발전시키고 있습니다. 물리적으로 의미 있는 영역을 기준으로 신호를 모으면 전체 평균에 가려졌던 국소 차이를 드러내고, 약한 분광 신호의 해석에도 도움을 줄 수 있습니다. 형태·구조·화학 정보를 서로 대응시켜, 한 소재 안에서 서로 다른 기능과 반응을 갖는 영역을 구분하는 것이 핵심입니다.

소재 설계에 활용할 수 있는 측정

정량해석이 소재 비교에 쓰이려면 여러 시야와 시료에서 일관된 기준을 유지해야 합니다. 촬영 조건과 공간 분해능, 영상 가장자리에 걸친 입자, 겹친 영역의 처리 방식은 모두 통계에 영향을 줍니다. 분할 결과의 정확도와 함께 시야 선정 및 측정 기준을 검토하여, 분석 방법의 차이가 소재 자체의 차이로 해석되지 않도록 합니다.

입도·형상 분포, 면적분율, 코팅 피복률, 입자 간 공간적 관계를 공정 조건과 소재의 응답에 연결하는 워크플로우를 구축합니다. 분석의 결과가 다음 실험을 선택하는 근거가 되도록 하는 것이 목표입니다. 어떤 입자군이 변했는지, 불균일성이 어디에서 커지는지, 열화와 함께 나타나는 구조 지표는 무엇인지 파악하여 공정 최적화와 소재 설계의 방향을 제시합니다.