김효정 연구실의 핵심 연구 중 하나는 할라이드 페로브스카이트를 이용한 차세대 저항변화 메모리 소자 개발이다. 이 연구는 기존 비휘발성 메모리가 가지는 집적도, 구동전압, 공정온도, 기계적 유연성의 한계를 극복하기 위해 수행되며, 특히 용액공정이 가능한 페로브스카이트 소재를 활용해 저전력·고집적 메모리 구현 가능성을 탐색한다. 연구실은 MAPbBr3 및 quasi-2D 구조를 포함한 다양한 페로브스카이트 조성을 바탕으로 소자의 스위칭 특성과 재현성을 체계적으로 분석하고 있다. 이 분야에서 연구실은 단순히 저항변화 현상을 관찰하는 수준을 넘어, 전자수송층 도입, 계면 제어, 필라멘트 형성·소멸 메커니즘 분석을 통해 소자의 신뢰성을 높이는 방향으로 연구를 확장하고 있다. 특히 전자 전달 물질을 삽입하여 endurance와 retention을 개선하고, 높은 ON/OFF 비와 안정적인 bipolar switching을 구현하는 데 주력하고 있다. 또한 납 기반 소재의 한계를 고려해 lead-free 할라이드 페로브스카이트 memristor와 대면적 crossbar array 적용 가능성까지 다루며, CMOS 후공정 호환성과 대규모 집적화를 동시에 고려하는 연구를 수행한다. 이 연구는 차세대 인공지능 하드웨어, 뉴로모픽 컴퓨팅, 고밀도 데이터 저장 장치로의 응용 가능성이 매우 크다. 특히 친환경 조성, 저온공정, 대면적 제조, 다층 적층 구조와의 결합은 미래 메모리 산업에서 중요한 경쟁력이 될 수 있다. 김효정 연구실은 소재 설계에서 소자 구조, 동작 메커니즘, 어레이 확장성까지 연결하는 통합 연구를 통해 실용적인 반도체 메모리 플랫폼을 구축하고자 한다.

연구실의 또 다른 대표 분야는 MXene, SnO2, TiO2와 같은 기능성 나노소재를 활용한 고성능 가스센서 개발이다. 이 연구는 초고감도, 고선택성, 저전력 동작이 가능한 센서를 구현하는 데 목적이 있으며, 다양한 기체 환경에서 안정적으로 작동하는 차세대 화학센싱 플랫폼을 지향한다. 특히 2차원 MXene의 높은 전기전도도와 표면 조절 가능성, 1차원 SnO2 나노구조의 우수한 반응성, 3차원 TiO2 나노아키텍처의 광활성 특성을 활용하여 소재별 장점을 극대화하는 방향으로 연구가 전개되고 있다. 연구실은 센서 소재의 합성법과 구조 제어가 감지 성능에 미치는 영향을 정밀하게 분석하며, 금속산화물·전이금속 칼코겐화물·rGO·전도성 고분자와의 복합화를 통해 감도와 안정성을 동시에 향상시키고 있다. 또한 나노촉매 기능화, 결함 제어, 층간 간격 조절, 표면 종단기 설계와 같은 재료공학적 접근을 통해 센서 반응 메커니즘을 규명한다. 이러한 재료 설계는 단순 검출을 넘어서 데이터 변동성을 낮추고, 고습 환경이나 초저농도 조건에서도 일관된 신호를 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 이 연구는 인공지능 기반 전자코, 환경 모니터링, 식물 건강 진단, 웨어러블 및 무선 센서 시스템으로 확장되고 있다. 실제로 연구실의 성과는 딥러닝 기반 가스 분류 정확도 향상, 현장 배치가 가능한 무선 센서 플랫폼, 식물 인터페이스형 NO2 모니터링 등으로 이어지고 있다. 즉, 김효정 연구실은 나노구조 설계와 데이터 해석 기술을 결합하여, 차세대 스마트 센싱과 바이오모사 전자후각 시스템의 기반을 마련하고 있다.

김효정 연구실은 반도체 소자 성능을 결정하는 핵심 요소로서 소재 자체의 특성뿐 아니라 계면과 나노구조의 역할에 주목하고 있다. 메모리 소자와 센서 모두에서 실제 성능을 좌우하는 것은 전하 이동, 이온 이동, 결함 상태, 표면 반응, 전극과 활성층 사이의 계면 특성이기 때문에, 연구실은 이를 정밀하게 제어하는 소재·계면 공학 연구를 수행한다. 이러한 접근은 단일 소자의 초기 성능보다 장기 안정성, 재현성, 대면적 공정 적합성을 중시하는 응용 지향형 연구로 이어진다. 구체적으로는 전자수송층 삽입을 통한 전하 흐름 제어, 필라멘트 형성 경로 안정화, 표면 패시베이션, 결함 밀도 저감, 나노촉매 기능화, 복합재료 설계 등이 주요 방법론으로 활용된다. 페로브스카이트 메모리에서는 계면층이 SET/RESET 과정의 균일성을 높이고 소자 간 편차를 줄이는 역할을 하며, 가스센서에서는 표면 반응 사이트와 확산 경로를 조절하여 감도와 선택성을 향상시킨다. 또한 용액공정과 저온공정 기반 제조법을 적용함으로써 유연 기판, 대면적 소자, 이종 집적 공정과의 호환성도 함께 고려한다. 이와 같은 연구는 차세대 반도체 시스템의 실용화를 위해 필수적인 기반 기술이다. 높은 성능의 소재가 실제 소자에서 안정적으로 구현되기 위해서는 계면 설계와 구조 최적화가 동반되어야 하며, 연구실은 바로 이 지점을 집중적으로 다루고 있다. 궁극적으로 김효정 연구실의 소재·계면 공학 연구는 메모리와 센서의 신뢰성 문제를 해결하고, 고집적 반도체 소자와 지능형 센서 플랫폼의 산업적 활용 가능성을 높이는 데 기여한다.