나노스케일에서의 열 및 물질 수송 현상은 기존의 연속체 이론으로 설명하기 어려운 복잡한 현상들이 나타납니다. 본 연구실은 분자동역학 시뮬레이션을 활용하여 고체-액체, 고체-기체, 액체-기체 등 다양한 계면에서의 열전달 및 물질 이동 메커니즘을 심층적으로 분석하고 있습니다. 특히, 나노구조 내에서의 계면 열저항(Kapitza resistance), 온도 점프, 밀도 분포, 점성 변화 등은 나노소재 및 소자 개발에 있어 매우 중요한 요소로 작용합니다. 연구실에서는 그래핀, 실리콘, 구리 등 다양한 소재의 나노구조 표면에서의 열 및 물질 수송 특성을 실험적, 수치적으로 규명하고 있습니다. 예를 들어, 그래핀-구리 계면에서의 열저항 측정, 나노공정에서의 액체 및 기체의 흐름, 나노채널 내 이온 및 분자의 이동, 그리고 연료전지 및 반도체 공정에서의 초미세 열전달 현상 등이 주요 연구 주제입니다. 이러한 연구는 나노소재의 열관리, 고효율 에너지 소자, 차세대 반도체 공정 등 다양한 응용 분야에 직접적으로 연결됩니다. 나노스케일에서의 열 및 물질 수송 연구는 실험적 한계와 더불어 이론적·수치적 모델링의 한계도 존재합니다. 본 연구실은 분자동역학(MD), 몬테카를로(DSMC), 유한요소법(FEM), 라티스 볼츠만(LBM) 등 다양한 수치해석 기법을 융합하여, 나노스케일 현상을 다중스케일(multiscale)로 해석하고, 실험 결과와의 정합성을 높이고 있습니다. 이를 통해 나노계면에서의 새로운 물리적 현상을 규명하고, 실제 산업적 문제 해결에 기여하고 있습니다.

반도체 제조 공정은 점점 더 미세화되어 1나노미터 이하의 한계에 도달하고 있습니다. 이러한 초미세 공정에서는 원자 및 분자 수준에서의 열 및 물질 이동이 공정의 품질과 효율을 좌우하게 됩니다. 본 연구실은 분자동역학 기반의 멀티스케일 모델링을 통해 반도체 공정 내에서의 원자, 분자, 나노입자 수준의 거동을 정밀하게 예측하고, 이를 연속체 수준의 공정 해석과 연계하는 연구를 수행하고 있습니다. 특히, 증착, 식각, 세정, 이온 주입 등 다양한 반도체 공정 단계에서 발생하는 나노유체의 흐름, 계면에서의 이온 및 분자 이동, 전기이중층 형성, 열전달 및 물질전달 현상 등을 다루고 있습니다. 이러한 연구는 실제 반도체 소자 내에서 발생하는 불순물 이동, 열적 손상, 계면 결함 등 다양한 문제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 나노공정에서의 유체 공급장치, 습식 세정, 나노필름 적층 등 실질적인 공정 장비 및 기술 개발에도 기여하고 있습니다. 본 연구실의 멀티스케일 모델링 접근법은 분자 수준의 미세 현상과 연속체 수준의 거시적 공정 해석을 통합함으로써, 기존의 실험적 접근만으로는 한계가 있었던 초미세 공정의 최적화와 신뢰성 향상에 큰 도움을 주고 있습니다. 이를 통해 차세대 반도체 소자, 고성능 연료전지, 나노바이오 소자 등 다양한 첨단 산업 분야에서의 혁신적인 기술 개발을 선도하고 있습니다.

계면에서의 물리적, 화학적 현상은 나노스케일에서 더욱 두드러지게 나타나며, 이는 전체 시스템의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구실은 고체-액체, 고체-기체, 액체-기체 등 다양한 계면에서의 열전달, 물질전달, 전기적 현상(전기이중층, 전기삼투유동 등)을 통합적으로 연구하고 있습니다. 특히, 나노공정 및 바이오센서, 연료전지 등에서 중요한 전기-열-유체 연성 현상에 대한 다중물리적 해석을 중점적으로 수행합니다. 예를 들어, 나노공정에서의 전기장 인가에 따른 이온 및 분자의 이동, 전기이중층 두께 변화, 유체의 점성 및 확산계수 변화, 계면에서의 열저항 및 온도 분포 변화 등을 분자동역학 시뮬레이션과 연속체 모델을 결합하여 분석합니다. 이러한 연구는 나노유체 시스템의 효율적 제어, 정밀한 이온 분리, 고성능 에너지 소자 개발 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있습니다. 계면 현상 및 연성 현상 연구는 기존의 단일 물리 현상 해석을 넘어, 전기적, 열적, 유체적 거동이 상호작용하는 복합 시스템의 거동을 예측하고 최적화하는 데 필수적입니다. 본 연구실은 이러한 다중물리적 접근을 통해, 나노스케일에서의 새로운 현상 발견과 더불어, 실제 산업 현장에서 요구되는 고신뢰성, 고효율 시스템 설계에 기여하고 있습니다.