현실적인 2D 재료 설계를 위한 Mat3ra 2D 프레임워크

본 논문은 인공지능·머신러닝 모델이 실제 디바이스에 적용될 때 필수적인 표면·계면·결함 정보를 충분히 반영하지 못하는 문제를 지적하고, 이를 해결하기 위한 오픈소스 프레임워크인 Mat3ra‑2D를 제안한다. 프레임워크는 크게 다섯 부분으로 구성된다. 첫 번째는 데이터 표준화 계층(mat3ra‑esse)으로, M‑CODE 온톨로지를 기반으로 구조, 변환, 프로벤스 정보를 JSON 스키마로 정의한다. 이를 통해 다양한 툴이 동일한 메타데이터를 공유하고, 데이터베이스에 일관된 형식으로 저장할 수 있다. 두 번째는 공통 데이터 레포지토리(mat3ra‑standata)로, SrTiO₃, Graphene, Ni 등 실험·계산에 널리 사용되는 2D 및 벌크 재료의 기준 구조를 제공한다. 세 번째는 추상화 계층(mat3ra‑code)으로, 파이썬과 자바스크립트 양쪽에서 동일한 클래스와 인터페이스를 사용해 구현체를 교체하거나 확장할 수 있게 한다. 네 번째는 실제 변환 로직을 담은 구현 계층(mat3ra‑made)이다. 여기서는 슬래브 생성, 계면 조합, 스트레인 매칭, 결함 삽입 등을 함수형 API로 제공한다. 특히 계면 생성은 Define‑Refine‑Build 3단계 파이프라인으로 구현된다. Define 단계에서는 각각의 필름·기판 슬래브를 Miller index, 레이어 수, termination, vacuum 등으로 정의한다. Refine 단계에서는 ZSL 인터페이스 분석기를 이용해 초격자 조합을 열거하고, 스트레인 퍼센트와 인터페이스 면적을 기준으로 후보를 랭킹한다. Build 단계에서는 선택된 후보를 기반으로 실제 원자 좌표를 변환하고, 인터페이스 간격·시프트·vacuum 등을 적용하면서 모든 변환 과정을 메타데이터에 기록한다. 이러한 프로벤스‑aware 워크플로우는 데이터셋 생성 시 재현성을 보장하고, AI 모델이 구조적 변수를 직접 학습하도록 돕는다. 다섯 번째는 사용자 접근성을 위한 Jupyter Notebook 예제와 브라우저 기반 실행 환경이다. mat3ra‑api‑examples 패키지는 슬래브와 계면 생성, 스트레인 매칭 등 여러 시나리오를 JupyterLite와 Pyodide를 통해 웹 브라우저에서 바로 실행할 수 있게 한다. 이를 통해 로컬 환경 설정 없이도 연구자·학생·산업계 사용자가 손쉽게 프레임워크를 체험하고, 자신만의 데이터 파이프라인을 구축할 수 있다. 논문에서는 SrTiO₃(110) 슬래브의 termination 제어, Ge/Si(001) 비스트레인 계면, Graphene/Ni(001) 스트레인 매칭 계면 등 구체적인 사례를 제시하고, 각 단계별 코드 스니펫과 결과 구조를 상세히 보여준다. 결과적으로 Mat3ra‑2D는 2D 재료와 이종계면에 특화된 데이터 생성·관리·공유 인프라를 제공함으로써, 기존 벌크 중심 데이터베이스와는 차별화된 AI‑ready 데이터셋을 효율적으로 구축할 수 있게 한다. 향후 확장성 있는 플러그인 구조와 커뮤니티 기여를 통해 더 다양한 결함·무질서·다중계층 구조를 지원하고, 고성능 ML 모델의 학습 및 검증에 필요한 현실적인 데이터 파이프라인을 지속적으로 발전시킬 계획이다.