김성지 연구실의 핵심 연구 축 가운데 하나는 양자점과 매직크기 나노클러스터를 포함하는 반도체 나노소재의 정밀 합성 및 구조-물성 상관관계 규명이다. 연구실은 InP, ZnSeTe, Ag2S와 같은 비교적 환경친화적인 조성의 나노결정에 주목하며, 크기·조성·표면 결합자·도펀트 도입을 세밀하게 제어해 새로운 광학적·전자적 특성을 갖는 나노소재를 설계한다. 특히 기존의 단순한 입자 합성을 넘어, 반응 중간체와 성장 경로 자체를 이해하고 제어함으로써 원하는 기능을 갖는 인공원자 수준의 재료 플랫폼을 구축하려는 점이 특징적이다. 이 연구는 나노클러스터의 이성질체화, 성장 변환, 전자구조 변화와 같은 화학 반응 경로를 체계적으로 추적하는 데 초점을 둔다. 이를 위해 분광학, 구조 분석, 전자구조 해석, 계산화학적 접근을 통합하여 나노물질이 생성되고 변환되는 과정을 분자 수준에서 해석한다. 또한 반응 중간체 클러스터를 활용한 공유결합성 인공원자 연구와 연계하여, 재료의 전자 상태를 연속적으로 재단하고 원하는 광흡수, 발광, 전하 이동 특성을 역설계하는 방향으로 확장되고 있다. 이러한 연구는 차세대 광전자소자, 바이오영상 프로브, 친환경 반도체 소재 개발로 이어질 수 있다는 점에서 학문적·산업적 가치가 크다. 특히 독성 저감형 양자점과 고기능 나노클러스터는 디스플레이, 센서, 이미징, 광변환 소자 등 다양한 분야의 기반 소재가 될 수 있다. 연구실은 합성화학 중심의 정밀 제어 능력과 물성 분석 역량을 결합하여, 미래형 나노소재의 설계 원리를 제시하는 연구를 지속적으로 수행하고 있다.

연구실은 광화학과 물리화학적 원리를 바탕으로 빛과 나노구조의 상호작용을 제어하는 나노광학 및 광전자 소자 연구를 수행한다. 대표적으로 양자점과 나노와이어를 이용한 UV-Vis-NIR 광검출기, 유기 포토다이오드, 빠른 응답 특성을 갖는 광증배형 소자 등에서 우수한 성능을 구현하는 연구 성과를 보였다. 이러한 연구는 나노소재의 광흡수, 여기자 생성, 전하 분리, 트랩 동역학과 같은 미시적 현상을 소자 수준의 기능 향상으로 연결한다는 점에서 의미가 크다. 특히 양자점 인터레이어를 이용한 전하 포획 및 탈포획 동역학 제어는 광검출기의 감도와 응답 속도를 동시에 높이는 전략으로 주목된다. 연구실은 소재 자체의 합성뿐 아니라 계면 설계, 에너지 준위 조절, 유연·신축성 구조 구현까지 폭넓게 다루며, 실제 응용 가능한 소자 아키텍처를 제안한다. 나노와이어 기반의 신축성 광검출기 연구는 기계적 변형이 큰 환경에서도 안정적인 광응답을 유지하는 차세대 웨어러블 광전자 시스템의 가능성을 보여준다. 이와 함께 초고해상도 photoactivated AFM과 같은 광유도 나노 이미징 기술에도 참여하여, 나노물질의 광학적 특성을 회절한계를 넘어 관찰하는 기반 기술 확장에도 기여하고 있다. 이는 단순한 소자 개발을 넘어, 나노구조의 본질적 광학 현상을 더 정확하게 측정하고 해석하는 도구를 제공한다. 결과적으로 연구실의 광화학 기반 연구는 고감도 센서, 유연 광전자, 고분해능 분석기술로 이어지며, 나노광학과 응용 광전자 분야를 연결하는 중요한 역할을 한다.

김성지 연구실은 나노화학을 생체의료 분야에 접목하여 형광 나노입자, 스마트 나노전달체, 미세환경 감응형 프로브를 개발하는 연구도 활발히 수행해 왔다. 대표적으로 근적외선 형광 양자점을 이용한 감시림프절 매핑 연구는 생체조직 투과성이 높은 파장대의 장점을 활용하여 진단 정확도를 높인 사례로 평가된다. 또한 단파적외선 양자점 스위치 프로브 개발, 형광성 나노입자 복합체 제작, 세포 표지 기술 등은 진단과 영상화의 정밀도를 향상시키는 방향으로 전개되고 있다. 이 연구의 중요한 특징은 생체 환경의 변화를 감지하는 반응형 나노소재 설계에 있다. pH, 산화·환원 상태, 금속 이온, 과산화수소, 효소 활성과 같은 생체 미세환경 신호에 따라 광학적 성질이나 응집 거동이 변하는 나노입자를 설계하여, 특정 질환 부위에서 선택적으로 작동하는 프로브와 치료 보조 플랫폼을 구현한다. 관련 특허들에서도 pH 민감성 금속 나노입자, 효소 감응형 표면 분자체, 과산화수소 감응형 검출 시스템 등 질병 특이적 환경에 반응하는 기능성 나노소재 개발 역량이 잘 드러난다. 이러한 접근은 정밀진단, 생체영상, 약물전달, 광열치료 등 다양한 의료 응용으로 연결될 수 있다. 연구실의 저서인 스마트 제약 나노전달체와 최근 글로벌 헬스케어 의공학 연구 참여 이력은 이 분야가 단순한 기초연구를 넘어 실제 의료기술로 확장되고 있음을 보여준다. 궁극적으로 이 연구는 높은 생체적합성, 정밀한 신호 감지, 표적 선택성을 갖춘 차세대 나노의료 플랫폼 개발을 목표로 하며, 화학·나노공학·의생명 응용의 접점을 형성한다.