이종훈 교수 연구실은 그래핀, 육방정계 질화붕소(h-BN), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 포스포린 등 다양한 이차원(2D) 소재와 그 하이브리드 구조의 원자 수준 특성 분석 및 설계에 중점을 두고 있습니다. 이러한 이차원 소재는 기존의 벌크 재료와는 달리 원자 단위의 두께와 독특한 전기적, 광학적, 기계적 특성을 지니고 있어 차세대 전자소자, 센서, 촉매 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능합니다. 연구실에서는 원자 수준에서의 결함, 계면, 결정 구조, 그리고 이종소재 간의 상호작용을 심도 있게 분석하여, 소재의 근본적인 특성과 물성 변화를 규명하고 있습니다. 특히, 투과전자현미경(TEM)과 스캐닝 투과전자현미경(STEM) 등 첨단 분석 장비를 활용하여, 이차원 소재의 성장 메커니즘, 결함 형성, 계면 구조 및 하이브리드화 과정을 실시간으로 관찰합니다. 이를 통해 소재의 성장 조건, 도핑, 계면 엔지니어링 등 다양한 변수에 따른 구조적·물리적 변화를 체계적으로 연구하고, 새로운 기능성 소재의 설계와 합성에 기여하고 있습니다. 또한, 이차원 소재의 하이브리드 구조를 통한 새로운 전자적·광학적 현상 발굴에도 힘쓰고 있습니다. 이러한 연구는 단순히 소재의 특성 규명에 그치지 않고, 실제 소자 응용을 위한 대면적 합성, 계면 제어, 결함 제어 등 실용화 기술로도 확장되고 있습니다. 연구실은 국내외 유수의 연구기관 및 산업체와 협력하여, 이차원 소재 기반의 고성능 트랜지스터, 메모리, 센서, 촉매 등 다양한 차세대 소자 개발에 적극적으로 참여하고 있습니다.

ASEM Lab은 세계 최고 수준의 수차보정 투과전자현미경(TEM/STEM)과 다양한 in situ 실험 시스템을 기반으로, 원자 단위에서 소재의 구조, 결함, 계면, 동적 변화를 실시간으로 분석하는 기술을 선도적으로 개발하고 있습니다. 특히, Titan³ G2 60-300과 같은 첨단 장비를 활용하여, 0.65 Å 이하의 공간 분해능으로 개별 원자 및 결함 구조를 직접 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 기존 분석법으로는 접근이 어려웠던 소재 내부의 미세 구조와 동적 변화를 정밀하게 규명할 수 있습니다. 연구실은 in situ TEM을 이용해 외부 자극(기계적, 열적, 전기적, 가스/액상 환경 등)에 따른 소재의 상변태, 결함 생성 및 소멸, 계면 반응, 촉매 작용, 나노구조 성장 등 다양한 현상을 실시간으로 추적합니다. 예를 들어, 그래핀-나노입자 복합체의 인성 향상 메커니즘, 니켈 촉매를 이용한 그래파이트화 과정, 2차원 소재 계면에서의 이종원소 삽입 및 확산, 고압 나노반응기 내 고체화학 반응 등 다양한 주제를 다루고 있습니다. 또한, 딥러닝 기반의 이미지 복원 및 분석 기법을 도입하여, 노이즈 저감, 위상 복원, 원자 위치 자동 식별 등 TEM 데이터의 해상도와 신뢰도를 극대화하고 있습니다. 이러한 원자분해능 및 실시간 분석 기술은 신소재의 구조-물성 상관관계 규명, 결함 엔지니어링, 계면 제어, 촉매 설계, 나노소자 신뢰성 평가 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 연구실은 국내외 연구자들과의 협력을 통해 TEM 분석의 새로운 패러다임을 제시하고, 차세대 소재 및 소자 개발의 기반 기술을 제공하고 있습니다.

이차원 소재의 결함(Defect)과 계면(Interface)은 소재의 전기적, 광학적, 자기적 특성에 결정적인 영향을 미치는 핵심 요소입니다. ASEM Lab은 원자 수준에서 결함의 생성, 진화, 제어 메커니즘을 규명하고, 이를 기반으로 소재의 기능성을 극대화하는 결함 및 계면 공학 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 예를 들어, 그래핀, MoS₂, WS₂, h-BN 등 다양한 2D 소재에서의 원자 결함, 계면 결함, 트윈 경계, 나노공극, 도핑 원자 등 다양한 결함 구조를 TEM 및 EELS, EDS 등 첨단 분석법으로 정밀하게 분석합니다. 특히, 결함이 유도하는 새로운 물성(예: 결함 유도 라슈바 효과, 결함 기반 촉매 활성, 결함 주도 성장 등)과 계면에서의 이종소재 상호작용(예: 이종접합, 계면 전하 이동, 계면 주도 상변태 등)에 대한 연구를 통해, 소재의 전기적·광학적·자기적 특성을 맞춤형으로 제어하는 전략을 제시하고 있습니다. 또한, 결함 및 계면 제어를 통한 고성능 트랜지스터, 메모리, 인공 시냅스, 촉매, 센서 등 다양한 응용 소자 개발에도 적극적으로 참여하고 있습니다. 이러한 결함 및 계면 공학 연구는 소재의 한계를 극복하고, 새로운 기능성 및 신뢰성을 갖춘 차세대 전자소자, 에너지 소자, 촉매 시스템 등 다양한 분야로의 실질적 확장 가능성을 제시합니다. 연구실은 결함 및 계면 제어를 위한 합성, 분석, 이론, 소자 응용까지 전주기적 연구를 수행하며, 국내외 연구 네트워크와의 협력을 통해 세계적인 연구 성과를 창출하고 있습니다.