이 연구실은 VO2를 비롯한 다전자가 산화물과 에피택셜 박막 시스템에서 나타나는 금속-절연체 상전이, 구조 상전이, 전도도 변화와 같은 비평형·가역 현상을 정밀하게 제어하는 연구를 수행한다. 특히 박막공학을 기반으로 결정성, 계면, 응력, 도핑, 결함 농도, 나노구조를 조절하여 산화물의 전자 상태를 설계하고, 급격한 물성 변화가 나타나는 임계 조건을 이해하는 데 초점을 둔다. 이러한 접근은 단순한 재료 합성에 그치지 않고, 상전이 메커니즘을 소자 수준의 기능으로 연결하는 재료-물성-응용 통합 연구라는 점에서 의미가 크다. 대표적으로 바나듐 산화물 박막에서 수소 도핑에 따른 가역적 상조절과 수소 저장 거동을 규명한 연구는, 산화물 내부의 결함-전자-격자 상호작용이 얼마나 큰 물성 변화를 유도할 수 있는지를 보여준다. 또한 zero-strain 금속-절연체 상전이 박막, 나노입자층을 이용한 모트 임계 스위치, 전기장 기반 상전이 유도 기술 등은 구조적 손상을 최소화하면서도 빠르고 반복 가능한 스위칭을 구현하려는 방향으로 확장되고 있다. 연구실은 이런 현상을 이해하기 위해 박막 성장, 정밀 구조 분석, 전기적 측정, 광학 특성 평가를 유기적으로 결합한다. 이 연구는 차세대 전자소자, 초고속 스위치, 비휘발성 또는 준비휘발성 메모리, 저전력 계산 하드웨어의 핵심 기반을 제공할 수 있다. 특히 상전이 산화물은 기존 실리콘 기반 소자가 가지는 스케일링 한계와 에너지 효율 문제를 보완할 수 있는 후보 재료로 주목받고 있으며, 본 연구실은 소재 단계에서부터 소자 구현까지 이어지는 연구를 통해 실제 응용 가능성을 높이고 있다. 향후에는 전기장, 이온 주입, 계면 공학을 결합한 정밀 상제어를 통해 더욱 안정적이고 집적 가능한 기능성 산화물 플랫폼을 구축할 것으로 기대된다.

연구실의 또 다른 핵심 축은 수소 이온을 포함한 이동성 이온이 산화물 내부에서 유도하는 화학-전기-기계 결합 현상을 이해하고 활용하는 것이다. 다전자가 산화물은 결함, 전자, 격자가 강하게 연결되어 있어, 소량의 이온 삽입이나 결함 형성만으로도 전도도, 격자 상수, 광학 응답, 상안정성이 크게 변할 수 있다. 연구실은 이러한 특징을 이용해 가역적 이온 수송을 정밀 제어하고, 그 결과 나타나는 화학적 팽창과 전자 구조 변화를 기능으로 전환하는 연구를 수행한다. 관련 프로젝트에서는 수소 이온 결함 형성 및 수송 조건을 조절해 거대한 전기전도도 변화와 격자 변형을 유도하고, 이를 센서와 액추에이터 같은 새로운 산화물 기반 소자 개념으로 연결하고자 한다. 이는 단순히 이온이 이동하는 현상을 보는 것이 아니라, 이온의 움직임이 전자 전도와 구조 변화를 동시에 유발하는 복합적 메커니즘을 정량화하는 연구이다. 이러한 연구는 상전이, 도핑, 결함 공학, 나노구조 설계가 서로 분리된 주제가 아니라 하나의 통합된 물성 제어 프레임 안에 있음을 보여준다. 이온 수송 기반 산화물 연구는 에너지 저장, 스마트 센서, 자극 응답형 액추에이터, 환경 적응형 전자소자 등 다양한 분야로 확장될 가능성이 높다. 특히 수소 저장 및 가역 반응과 연계된 산화물 박막 연구는 에너지 재료로서의 잠재력과 정보소자 재료로서의 잠재력을 동시에 지닌다. 연구실은 향후 이러한 chemo-electro-mechanics 현상을 더 미세한 시간·공간 스케일에서 규명함으로써, 이온 기반 기능성 재료를 저전력·고감도 장치로 구현하는 데 중요한 기여를 할 것으로 보인다.

이 연구실은 기능성 산화물 박막을 실리콘 및 다양한 반도체 플랫폼과 결합하는 이종집적 연구를 통해, 재료 물성을 실제 소자 응용으로 확장하고 있다. 최근 수행 중인 과제들은 상전이 산화물을 실리콘 단일 광자 생성기와 결합해 전기장으로 광출력을 가역 제어하거나, ultra-wide band gap 산화물 반도체를 실리콘 위에 집적해 광검출 및 전력소자 구현으로 이어가려는 목표를 갖는다. 이는 산화물 소재가 단지 독립적인 물성 연구 대상이 아니라, 차세대 반도체 시스템의 기능 증강층으로 활용될 수 있음을 보여준다. 또한 임계 스위칭 메모리, 2단자 선택소자, 강유전 기반 인공 뉴런-시냅스 집적 소자와 같은 연구 주제는 산화물 및 연관 박막 소재가 미래형 메모리와 뉴로모픽 하드웨어의 핵심 재료가 될 수 있음을 시사한다. Nature Electronics 논문에서 제시된 VO2 기반 유리상 동역학 제어와 데이터 저장·처리 연구는, 상전이 산화물이 단순 스위치 이상으로 시간의존적 정보 표현과 계산 기능까지 수행할 수 있음을 입증한다. 여기에 강유전성 산화물, 칼코게나이드 선택소자, 3차원 모노리식 집적 전략이 더해지면서, 연구 범위는 반도체 소자 구조와 시스템 응용으로까지 확대되고 있다. 이러한 연구는 광전자 소자, 전력반도체, 선택소자, 뉴로모픽 소자, 스마트 윈도우와 같은 폭넓은 산업적 응용 가능성을 갖는다. 특히 대면적 공정, 고품질 에피 성장, 결함 제어, 내구성 향상 기술은 학술적 성과를 실제 공정 플랫폼으로 이전하는 데 필수적이다. 연구실은 재료의 본질적 물성 이해와 함께 소자 통합성, 신뢰성, 집적 가능성을 함께 고려함으로써, 산화물 기반 미래 전자·광소자의 실용화에 중요한 방향을 제시하고 있다.