성균관대학교 김기강 교수 연구실은 에너지과학과를 기반으로, 첨단 나노소재 및 2차원 물질의 성장, 특성 분석, 그리고 응용 소자 개발에 이르기까지 폭넓은 연구를 수행하고 있습니다. 본 연구실은 대면적 단결정 2차원 물질의 성장 기술을 세계적으로 선도하고 있으며, 그래핀, 육방정질 붕소나이트라이드(hBN), 전이금속 칼코게나이드(TMDs) 등 다양한 2차원 소재의 합성 및 구조 제어에 대한 독창적인 연구를 진행하고 있습니다.
특히, 단결정 2차원 물질의 성장 메커니즘을 규명하고, 금속 기판의 표면 구조 제어, 성장 조건 최적화 등 다양한 방법론을 통해 결함이 적고 균일한 박막 합성에 성공하고 있습니다. 이러한 기술은 차세대 반도체, 투명 전극, 센서, 양자 소자 등 다양한 첨단 산업 분야에서 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
또한, 본 연구실은 수소 발생 반응(HER)을 위한 고효율 원자층 촉매 개발에도 앞장서고 있습니다. 전이금속 칼코게나이드 기반의 2차원 촉매는 높은 활성, 저렴한 가격, 우수한 안정성 등으로 주목받고 있으며, 연구실에서는 도핑, 합금화, 계면공학 등 다양한 전략을 통해 촉매의 성능을 극대화하고 있습니다. 이와 더불어, 머신러닝 등 첨단 데이터 분석 기법을 접목하여 촉매의 구조-성능 상관관계를 규명하고, 혁신적인 촉매 소재 개발에 기여하고 있습니다.
2차원 반데르발스 이종접합 구조의 설계 및 소자 응용 연구도 활발히 이루어지고 있습니다. 다양한 2차원 물질을 조합하여 새로운 전자적·광학적 특성을 구현하고, 이를 기반으로 트랜지스터, 광검출기, 뉴로모픽 소자 등 차세대 소자 개발에 박차를 가하고 있습니다. 대면적 단결정 성장 기술과 소자 집적화 연구를 통해 상용화 가능성도 높이고 있습니다.
이 밖에도, 본 연구실은 다양한 국내외 연구과제와 산학협력을 통해 에너지, 반도체, 차세대 전자소자 등 다양한 분야에서 혁신적인 연구 성과를 창출하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 나노소재 및 2차원 물질 분야에서 세계적인 연구 경쟁력을 바탕으로, 미래 에너지 및 정보기술 산업의 발전에 기여할 것입니다.
본 연구실은 대면적 단결정 2차원 물질의 성장에 중점을 두고 있습니다. 2차원 물질은 원자 한 층 두께의 얇은 구조를 가지며, 그 중에서도 단결정 형태로 성장시키는 것은 소재의 본질적인 특성을 극대화할 수 있는 핵심 기술입니다. 단결정 2차원 물질은 결정립계가 없거나 최소화되어 전기적, 광학적, 기계적 특성이 뛰어나 다양한 첨단 소자에 응용될 수 있습니다.
연구실에서는 화학기상증착법(CVD) 등 다양한 합성 방법을 활용하여, 그래핀, 육방정질 붕소나이트라이드(hBN), 전이금속 칼코게나이드(TMDs) 등 다양한 2차원 물질의 대면적 단결정 박막을 성장시키는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 금속 기판의 표면 구조 제어, 성장 조건 최적화, 전구체 공급 방식 개선 등을 통해 균일하고 결함이 적은 단결정 박막 합성에 성공하고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 반도체, 투명 전극, 센서, 양자 소자 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 열어주고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 대면적 단결정 2차원 물질의 성장 메커니즘을 심층적으로 규명하고, 이를 기반으로 한 새로운 소재 및 소자 개발에 앞장설 계획입니다.
수소 발생 반응(HER)을 위한 원자층 촉매 개발
본 연구실은 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)을 위한 고효율 원자층 촉매 개발에 주력하고 있습니다. 수소는 청정 에너지의 핵심 자원으로 각광받고 있으며, 이를 효율적으로 생산하기 위한 전기화학적 촉매의 개발이 필수적입니다. 특히, 전이금속 칼코게나이드(TMDs) 기반의 2차원 촉매는 높은 촉매 활성, 저렴한 가격, 우수한 안정성 등으로 차세대 HER 촉매로 주목받고 있습니다.
연구실에서는 TMDs의 기저면 활성화, 이종원소 도핑, 합금화, 계면공학 등 다양한 전략을 통해 촉매의 활성점을 극대화하고, 넓은 pH 범위에서 우수한 전기화학적 성능을 구현하고 있습니다. 또한, 원자 수준의 두께 제어와 결함 공학을 통해 촉매의 구조적·화학적 특성을 정밀하게 조절함으로써, 기존 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 비귀금속계 고효율 촉매를 개발하고 있습니다.
이러한 연구는 수전해 기반 수소 생산의 상용화 및 에너지 전환 효율 극대화에 기여할 뿐만 아니라, 친환경 에너지 사회 실현을 위한 핵심 원천기술로 자리매김하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 HER 촉매의 근본 원리 규명과 혁신적 소재 개발을 지속적으로 추진할 예정입니다.
2차원 반데르발스 이종접합 및 소자 응용
본 연구실은 2차원 반데르발스 이종접합 구조의 설계와 이를 활용한 다양한 소자 응용 연구를 활발히 진행하고 있습니다. 2차원 물질들은 층간 반데르발스 힘에 의해 적층이 가능하며, 이종 물질 간의 조합을 통해 새로운 전자적·광학적 특성을 구현할 수 있습니다. 이러한 이종접합 구조는 트랜지스터, 광검출기, 메모리, 뉴로모픽 소자 등 차세대 전자·광전자 소자 개발에 필수적인 플랫폼입니다.
연구실에서는 육방정질 붕소나이트라이드(hBN), 그래핀, TMDs 등 다양한 2차원 물질을 조합하여 초청정 계면을 갖는 이종접합 구조를 성장시키고, 그 특성을 정밀하게 분석합니다. 또한, 대면적 단결정 성장 기술을 바탕으로 소자 집적화 및 상용화 가능성을 높이고 있습니다. 최근에는 엣지 AI 컴퓨팅, 고효율 FET, 광전자 소자 등 첨단 응용 분야로 연구를 확장하고 있습니다.
이러한 연구는 기존 실리콘 기반 소자의 한계를 극복하고, 초고속·저전력·고집적 차세대 소자 개발에 중요한 역할을 하고 있습니다. 앞으로도 본 연구실은 2차원 이종접합 구조의 물리적 원리 규명과 혁신적 소자 응용을 선도할 계획입니다.
Phase Transformation of Needle-Like Fe-Co0.85Se to Hexagonal Fe-Co3O4 for Enhanced High-Current-Density Oxygen Evolution via Lattice Oxygen Redox
Yo Seob Won, Balakrishnan Kirubasankar, Hyung-Jin Kim, Ik Seon Kwon, Jae Woo Kim, Hayoung Ko, Young-Kyu Han*, Soo Min Kim*, Ki Kang Kim**
Small, 2025
2
High On/Off Current Ratio and Ultrashort Channel p-Type Vertical FET Realized by Plasma Oxidation of WSe2
Hyungyu Choi, Inhee Jeong, Hyokwang Park, Nasir Ali, Andrew Ben-Smith, Jae Woo Kim, Ki Kang Kim, Min Sup Choi*, Boseok Kang*, Won Jong Yoo**
ACS Applied Electronic Materials, 2025
3
High-Performance Negative Capacitance Field-Effect Transistors with Synthetic Monolayer MoS2
Moonyoung Jung, Hyo-Bae Kim, Yungyeong Park, Jeongmin Park, Hyeonseo Lee, Seunghyun Oh, Ki Kang Kim, Ji-Hoon Ahn*, Yeonghun Lee*, Junhong Na*, Dongseok Suh**
