Computational Lab for Innovative Materials
화학과 이근식
컴퓨테이셔널 혁신소재 연구실은 이종계면 및 순수계에서 발생하는 물리·화학적 현상을 원자 수준에서 심층적으로 탐구하는 연구실입니다. 본 연구실은 밀도범함수 이론(DFT) 등 최첨단 계산과학 기법을 활용하여, 다양한 소재의 구조-물성 상관관계를 규명하고, 계면에서의 전자구조 변화, 결함 및 도핑 효과, 전하 이동 메커니즘 등을 정량적으로 분석합니다. 이를 통해 실험적으로 관측하기 어려운 미시적 현상까지 예측하며, 신소재 설계와 고성능 소자 개발에 중요한 이론적 기반을 제공합니다.
특히, 응집계 및 2차원 자성체에서의 전자수송과 양자역학적 효과에 대한 연구를 중점적으로 수행하고 있습니다. 벌크 소재와 계면에서의 전자 이동, 초전도성, 자성, 위상학적 상태 등 양자역학적 현상을 다체 시뮬레이션과 비평형 그린 함수 방법론을 통해 해석합니다. 최근에는 2차원 자성체의 층간 자기결합, 스핀트로닉스 응용, 전기적 제어 가능성 등도 집중적으로 연구하여, 차세대 정보소자 및 양자컴퓨팅 기술의 기반을 마련하고 있습니다.
또한, 촉매 및 에너지 변환 소재의 전자구조 예측과 소프트웨어 개발에도 주력하고 있습니다. 수소 발생, 산소 발생, 이산화탄소 환원, 질소 환원 등 친환경 에너지 변환 반응에 적합한 촉매를 이론적으로 설계하고, 머신러닝 기반의 고속 스크리닝 기법을 도입하여 혁신적 촉매 후보군을 발굴합니다. 자체 개발한 시뮬레이션 툴을 통해 소재의 구조적 안정성, 전자 및 자기적 특성, 계면 반응 메커니즘 등을 정밀하게 예측합니다.
이외에도, 반도체, 태양전지, 금속-공기 배터리, 연료전지 등 다양한 첨단 소자 및 에너지 시스템에 적용 가능한 신소재 설계와 계면공학 연구를 수행하고 있습니다. 실험-이론 융합 연구를 통해 실제 소재 개발의 효율성을 극대화하며, 미래 혁신기술의 기반을 마련하고 있습니다.
우리 연구실은 앞으로도 원자·전자 수준의 정밀 시뮬레이션과 이론적 해석을 바탕으로, 새로운 물질 현상과 혁신적 기능을 지속적으로 발굴하고, 첨단 소재 및 소프트웨어 혁신을 선도해 나갈 것입니다.
Perovskite Stability
Electrocatalysis
Polaron Transport
이종계면 및 순수계에서의 물리·화학적 현상 연구
우리 연구실은 이종계면(heterogeneous interface)과 순수계(pure system)에서 발생하는 다양한 물리적, 화학적 현상을 심층적으로 탐구하고 있습니다. 이종계면은 서로 다른 두 물질이 만나는 경계로, 전자 이동, 에너지 변환, 촉매 반응 등 다양한 첨단 소자 및 에너지 소재의 성능을 결정짓는 핵심적인 역할을 합니다. 순수계에서는 물질 고유의 구조와 성질, 그리고 그에 따른 전자구조와 에너지띠 특성을 규명함으로써, 기초과학적 이해를 넓히고 있습니다.
특히, 원자 수준에서의 구조-물성 상관관계를 규명하기 위해, 밀도범함수 이론(DFT) 등 최첨단 계산화학 및 시뮬레이션 기법을 적극적으로 활용합니다. 이를 통해 계면에서의 전자 재배치, 밴드 정렬, 결함 및 도핑 효과, 그리고 전하 이동 메커니즘 등 미시적 현상을 정량적으로 분석합니다. 또한, 실제 소자 환경과 유사한 조건에서의 시뮬레이션을 통해, 실험적으로 관찰하기 어려운 현상까지 예측하고 설명할 수 있습니다.
이러한 연구는 차세대 반도체, 태양전지, 촉매, 2차원 소재 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 계면공학을 통한 신소재 설계 및 고성능 소자 개발에 중요한 이론적 기반을 제공합니다. 앞으로도 우리 연구실은 이종계면 및 순수계 연구를 통해 새로운 물질 현상과 혁신적 기능을 지속적으로 발굴해 나갈 것입니다.
응집계 및 2차원 자성체에서의 전자수송과 양자역학적 효과
응집계(Condensed system) 및 2차원 자성체에서의 전자수송 현상과 양자역학적 효과는 현대 재료과학과 전자공학의 핵심 주제입니다. 우리 연구실은 벌크 소재와 계면에서의 전자 이동, 그리고 그 과정에서 나타나는 양자역학적 현상(예: 초전도성, 자성, 위상학적 상태 등)을 심도 있게 연구합니다. 이러한 현상은 에너지 변환, 정보 저장 및 처리, 차세대 전자소자 개발 등 다양한 산업적 응용과 직결됩니다.
특히, 전통적인 고전역학적 설명이 한계에 부딪히는 나노미터 이하의 영역에서는, 전자의 파동성과 상호작용, 그리고 확률적 거동을 정확히 기술하기 위해 양자 다체 시뮬레이션(Quantum many-body simulation)과 비평형 그린 함수(NEGF) 방법론을 도입합니다. 이를 통해 미시세계에서의 비직관적 현상들을 해석하고, 실험적 관측과 이론적 예측을 연결하는 다리 역할을 수행합니다.
최근에는 2차원 자성체(예: Fe3GeTe2, CrI3 등)와 그 계면에서의 층간 자기결합, 스핀트로닉스 응용, 전기적 제어 가능성 등도 집중적으로 연구하고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 저전력·고성능 정보소자, 신개념 메모리, 양자컴퓨팅 등 미래 기술의 기반을 마련하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
촉매 및 에너지 변환 소재의 전자구조 예측과 소프트웨어 개발
우리 연구실은 다양한 촉매 및 에너지 변환 소재의 전자구조와 물성을 예측하고, 이를 위한 첨단 시뮬레이션 소프트웨어 개발에도 주력하고 있습니다. 촉매 분야에서는 수소 발생(HER), 산소 발생(OER), 이산화탄소 환원(CO2RR), 질소 환원(NRR) 등 친환경 에너지 변환 반응에 적합한 고효율·저비용 촉매를 이론적으로 설계하고, 머신러닝 기반의 고속 스크리닝 기법을 도입하여 혁신적 촉매 후보군을 발굴합니다.
특히, 밀도범함수 이론(DFT)과 동적 평균장 이론(DMFT), GW 방법 등 다양한 계산 방법을 결합하여, 전자 상관 효과, 비평형 상태, 개방계 등 기존 방법론의 한계를 극복하고자 합니다. 또한, 실제 소재의 구조적 안정성, 전자 및 자기적 특성, 계면에서의 반응 메커니즘 등을 정밀하게 예측할 수 있는 시뮬레이션 툴을 자체적으로 개발 및 고도화하고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 연료전지, 금속-공기 배터리, 태양전지, 수전해 시스템 등 다양한 에너지 소자에 적용될 수 있으며, 실험적 소재 개발의 효율성을 극대화하는 데 기여합니다. 앞으로도 우리 연구실은 이론-실험 융합을 통한 신소재 및 소프트웨어 혁신을 선도해 나갈 계획입니다.
1
La-doped BaSnO3 electron transport layer for perovskite solar cells
Chang Woo Myung, Geunsik Lee, Kwang S. Kim*
J. Mater. Chem. A, 2018
2
Unified low-energy effective Hamiltonian and the band topology of p-block square-net layer derivatives
S. I. Hyun, Inho Lee, Geunsik Lee*, J. H. Shim*
Phys. Rev. B, 2018
3
Highly Hydrophobic Fluorographene based system as an Interlayer for Electron Transport in Organic-Inorganic Perovskite Solar Cells
Saqib Javaid, Chang Woo Myung, Saeed Pourasad, Bipul Rakshit, Kwang S. Kim,*, Geunsik Lee*
J. Mater. Chem. A, 2018
3
에너지 자립형 탄소네거티브 도시 전환을 위한 광전 열전 융합 eChemisTREE 기술
