에너지띠와 전자구조는 재료의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 핵심 요소로, 반도체, 금속, 절연체 등 다양한 물질의 전기적 특성을 이해하는 데 필수적입니다. 박상원 연구실은 다양한 결정 구조와 조성의 신소재에서 에너지띠 구조와 전자구조를 정밀하게 분석하여, 이들이 촉매 활성, 전기전도성, 광학적 특성 등에 미치는 영향을 규명하고 있습니다. 이를 위해 실험적 분석과 이론적 계산을 병행하여, 재료 내 전자의 이동 경로와 결합 상태를 심층적으로 연구하고 있습니다. 특히, 최근 연구에서는 알칼리 토금속 이미드와 전이금속 촉매의 결합을 통해 암모니아 합성 반응에서의 다중 반응 경로를 제시하였으며, 이는 전자구조의 조절이 촉매 성능 향상에 결정적인 역할을 함을 입증하였습니다. 또한, 아연블렌드형 프레임워크를 가진 반도체에서의 고유한 전도대 최소 위치와 같은 새로운 전자구조 현상을 규명함으로써, 기존 반도체 이론을 확장하고 있습니다. 이러한 연구는 고효율 촉매 개발, 신개념 전자소자 설계 등 다양한 응용 분야로 이어지고 있습니다. 이와 같은 에너지띠 및 전자구조 연구는 재료의 근본적인 성질을 이해하고, 이를 바탕으로 차세대 에너지, 촉매, 전자소자 개발에 기여할 수 있는 기반 기술을 제공합니다. 앞으로도 박상원 연구실은 다양한 신소재의 전자구조를 체계적으로 해석하고, 이를 응용한 혁신적 재료 개발에 앞장설 계획입니다.

박상원 연구실은 고효율 암모니아 합성, 탄소-탄소 결합 반응, 산화적 카보닐화 등 다양한 화학 반응에서 우수한 성능을 보이는 차세대 촉매 및 에너지 소재 개발에 주력하고 있습니다. 특히, 결함 제어, 이종 금속 도핑, 전자구조 조절 등 첨단 재료공학적 기법을 활용하여, 기존 촉매의 한계를 극복하고 새로운 반응 메커니즘을 제시하고 있습니다. 예를 들어, C12A7 일렉트라이드와 그래핀 복합체를 이용한 Pd 촉매는 다단계 전자 전달 과정을 통해 기존 촉매 대비 20배 이상의 높은 활성도를 달성하였으며, 수분 환경에서도 안정성을 유지하는 혁신적 특성을 보였습니다. 또한, 토폴로지 절연체와 같은 신개념 소재를 촉매로 활용하여, 저온에서의 높은 반응 효율을 실현하였고, 이는 전통적인 귀금속 촉매의 한계를 극복하는 새로운 대안으로 주목받고 있습니다. 이러한 연구는 실험적 접근과 더불어 밀도 범함수 이론(DFT) 기반의 계산 화학을 병행하여, 촉매 표면에서의 전자 이동과 활성화 에너지 변화 등 미시적 반응 메커니즘을 정량적으로 해석하고 있습니다. 이와 같은 차세대 촉매 및 에너지 소재 개발 연구는 친환경 화학공정, 에너지 변환 및 저장, 신재생에너지 등 다양한 산업 분야에 직접적으로 응용될 수 있습니다. 박상원 연구실은 앞으로도 혁신적 소재 설계와 반응 메커니즘 규명을 통해, 지속 가능한 미래 에너지 및 화학 산업 발전에 기여할 것입니다.

2차원(2D) 소재는 원자 단위의 두께와 독특한 전자적 특성으로 인해 차세대 전자소자, 광소자, 신경모방 소자 등 다양한 분야에서 각광받고 있습니다. 박상원 연구실은 2D 전이금속 칼코게나이드(WSe2 등)에 대한 도핑 및 합금화 연구를 통해, 결함 허용성이 뛰어난 인공 시냅스 트랜지스터와 고감도 광검출기 개발에 성공하였습니다. 이러한 연구는 2D 소재의 결함 상태와 전자구조 변화가 소자 성능에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고, 이를 바탕으로 신경모방 소자 및 차세대 정보처리 소자 구현에 기여하고 있습니다. 특히, Nb 도핑 WSe2 단일 원자층 기반의 광트랜지스터 연구에서는 도핑에 따른 페르미 준위 이동과 다중 전자 트래핑 사이트 형성이 광전류 및 감도 향상에 결정적 역할을 함을 밝혔습니다. 또한, 인공 시냅스 소자에서는 불안정한 충전 및 탈착 과정을 제어하여 시냅스 가소성을 강화하는 전략을 제시하였으며, 이는 미래형 뉴로모픽 컴퓨팅 플랫폼 개발에 중요한 기반이 되고 있습니다. 이러한 2차원 신소재 및 전자소자 응용 연구는 초고속, 초저전력, 고집적 정보처리 소자 개발에 필수적인 기술로, 박상원 연구실은 앞으로도 소재 설계와 소자 응용을 융합한 혁신적 연구를 지속할 계획입니다.