본 연구실은 다양한 형태와 조성을 갖는 복잡 다차원 나노프레임 및 슈퍼파우더의 합성에 중점을 두고 있습니다. 습식 화학적 방법을 활용하여 2차원 및 3차원 나노프레임, 이중·삼중 프레임, 다공성 구조체, 그리고 다양한 금속 조성의 나노입자를 정밀하게 설계하고 합성합니다. 이러한 나노프레임은 내부에 빈 공간과 다수의 핫스팟을 형성하여, 기존의 단순 구조체와는 차별화된 광학적·물리적 특성을 보입니다. 특히, 슈퍼파우더는 다양한 나노입자(나노링, 육각형, 큐브, 복합 프레임 등)를 자유롭게 조합하여, 기판 없이도 대량으로 제조할 수 있는 혁신적인 합성법을 개발하였습니다. 이 과정에서 나노입자들의 조립, 정렬, 그리고 노출된 갭의 방향성 제어를 통해 전자 및 광학적 특성을 극대화할 수 있습니다. 이러한 슈퍼파우더는 라만 분광 기반의 표면증강 라만 산란(SERS) 분석에 최적화되어, 극미량의 분석물질 검출이 가능합니다. 이러한 복잡 나노프레임 및 슈퍼파우더 합성 기술은 바이오센서, 환경 센서, 에너지 변환, 촉매 등 다양한 분야에 적용될 수 있으며, 실제로 기체상 화학작용제, 바이러스, 단백질 등 다양한 타깃의 고감도 검출에 활용되고 있습니다. 연구실은 구조적 다양성과 기능적 통합을 동시에 달성하는 나노소재 합성의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.

연구실은 플라즈모닉 나노구조를 기반으로 한 표면증강 라만 산란(SERS) 센서 개발에 선도적인 역할을 하고 있습니다. 금, 은, 백금 등 귀금속 나노입자의 구조적 설계와 조립을 통해, 나노갭 및 핫스팟을 극대화하여 라만 신호를 획기적으로 증폭시키는 기술을 보유하고 있습니다. 특히, 이중림 나노링, 나노트렌치, 다공성 프레임 등 다양한 형태의 나노구조를 활용하여, 단일 입자 및 벌크 상태 모두에서 뛰어난 감도와 선택성을 구현합니다. 이러한 SERS 플랫폼은 바이러스(예: SARS-CoV-2), 단백질, 아미노산, 뉴클레오타이드 등 생체분자뿐만 아니라, 독성 화학물질, 화생방 작용제, 환경 오염물질 등 다양한 분석 대상의 초고감도 검출에 적용되고 있습니다. 실제 임상 샘플 및 환경 시료에서 1 fg/mL 이하의 검출 한계와 96% 이상의 민감도, 100%의 선택성을 달성한 바 있습니다. 또한, 금속-유기 골격체(MOF)와의 융합을 통해 비흡착성 가스분자의 검출도 가능하게 하였습니다. 연구실은 SERS 센서의 상용화 및 현장 적용을 위해, 대량생산이 가능한 슈퍼파우더 기반 SERS 기판, 머신러닝 기반 신호 분석, 임상 진단 및 환경 모니터링 시스템 개발 등 다양한 융합 연구를 진행하고 있습니다. 이를 통해 차세대 바이오·화학 센서 기술의 혁신을 주도하고 있습니다.

본 연구실은 플라즈모닉 나노입자의 정밀 조립을 통해 광학적 특성이 극대화된 메타물질 및 초격자(superlattice) 구조를 설계하고 있습니다. 육각형 금 나노입자, 나노헥사곤, 나노프레임 등 다양한 형태의 나노입자를 평면 또는 3차원적으로 정렬하여, 자연계 물질의 한계를 뛰어넘는 굴절률 및 광학 응답을 구현합니다. 특히, 나노입자 간의 에지-갭(edge-gap) 제어를 통해 근적외선 영역에서 세계 최고 수준의 굴절률을 달성하였으며, 이는 플라즈몬 공명과 집단적 결합 효과에 기인합니다. 이러한 초격자 구조는 1차원 광자결정, 다층 폴리머와의 적층 등 다양한 방식으로 응용되어, 반사율 제어, 광 선택성 향상, 광자 에너지 집속 등 첨단 광소자 개발에 활용되고 있습니다. 또한, 플라즈모닉-엑시톤 결합, 양자 광학(QED) 현상 등 기초 물리 연구에도 기여하고 있습니다. 연구실은 이와 같은 광학 메타물질의 설계 및 합성 기술을 바탕으로, 차세대 광센서, 광통신, 바이오이미징, 양자정보기술 등 다양한 분야로 연구를 확장하고 있습니다. 정밀한 나노구조 제어와 집단적 광학 현상의 융합을 통해, 기존 소재의 한계를 극복하는 혁신적 광기능성 소재를 창출하고 있습니다.