김성엽 연구실
기계공학과 김성엽
김성엽 연구실은 전산역학을 기반으로 나노 및 원자 구조의 물리적, 기계적, 전자적 특성을 심층적으로 연구하는 선도적 연구실입니다. 분자동역학, 밀도범함수이론 등 첨단 시뮬레이션 기법을 활용하여 금속, 반도체, 2차원 소재의 표면, 계면, 결함 구조를 원자 수준에서 해석하고, 실험적으로 접근하기 어려운 미시적 현상을 규명하고 있습니다.
특히, 금속 나노와이어와 나노플레이트, 그래핀, 보로핀 등 2차원 소재의 기계적 거동(파손, 변형, 탄성 불안정성 등)과 전자적 특성(밴드 구조, 전하 이동 등)을 분석하여 소재의 신뢰성 및 성능 향상에 기여하고 있습니다. 음의 포아송 비, 표면 응력에 의한 특성 변화, 계면 산화 및 결함 거동 등 다양한 현상을 시뮬레이션을 통해 밝혀내고 있으며, 이를 바탕으로 신소재 설계와 최적화에 중요한 역할을 하고 있습니다.
또한, 그래핀, 전이금속 칼코게나이드 등 2차원 소재의 대면적 합성, 결함 제어, 계면 안정성 향상, 이종접합 구조 설계 등에서 독창적인 연구를 수행하고 있습니다. 이러한 연구는 고성능 전자소자, 투명전극, 배터리, 연료전지, 웨어러블 디바이스 등 실용적 응용 분야로 확장되고 있습니다. 소재의 원자 구조와 계면 특성을 정밀하게 제어함으로써, 고효율·고신뢰성의 혁신적 소재 및 소자 개발을 실현하고 있습니다.
연구실은 다수의 국내외 특허와 우수 논문, 다양한 산학협력 및 국가 연구과제를 수행하며, 차세대 반도체, 에너지 소재, 나노전자소자 등 미래 산업의 핵심 기술 개발에 기여하고 있습니다. 슈퍼컴퓨팅, 빅데이터 분석, 멀티스케일 시뮬레이션 등 첨단 연구 인프라를 바탕으로, 실험과 이론을 융합한 창의적 연구를 지속적으로 추진하고 있습니다.
김성엽 연구실은 전산역학과 나노소재 연구의 융합을 통해, 미래 첨단 소재 및 소자 개발의 패러다임을 선도하고 있습니다. 원자 수준의 정밀 해석과 혁신적 소재 설계 역량을 바탕으로, 학문적·산업적 가치를 창출하는 연구실로 자리매김하고 있습니다.
High Performance Computing
Ultra-light Composites
Mechanical Properties
전산역학 기반 나노 및 원자 구조 해석
본 연구실은 전산역학을 활용하여 나노 및 원자 구조의 물리적, 기계적, 전자적 특성을 심층적으로 분석하고 있습니다. 분자동역학(MD), 밀도범함수이론(DFT) 등 첨단 시뮬레이션 기법을 통해 금속, 반도체, 2차원 소재(그래핀, 보로핀 등)의 표면, 계면, 결함 구조를 원자 수준에서 해석합니다. 이를 통해 기존 실험으로는 관찰하기 어려운 미시적 거동과 상변태, 결함의 생성 및 진화, 표면 응력과 계면 에너지 변화 등을 정량적으로 규명하고 있습니다.
특히, 금속 나노와이어, 나노플레이트, 2차원 소재의 기계적 거동(파손, 변형, 탄성 불안정성 등)과 전자적 특성(밴드 구조, 전하 이동 등)을 해석하여 소재의 신뢰성 및 성능 향상에 기여하고 있습니다. 예를 들어, 금속 나노구조에서의 음의 포아송 비(auxeticity) 현상, 표면 응력에 의한 기계적 특성 변화, 계면에서의 산화 및 결함 거동 등 다양한 현상을 시뮬레이션을 통해 밝혀내고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 반도체, 에너지 소재, 나노전자소자 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 실험적 한계를 극복하고 신소재 설계 및 최적화에 중요한 역할을 하고 있습니다. 전산역학적 접근은 소재의 원자 구조와 거동을 정밀하게 예측함으로써, 미래 첨단 소재 개발의 핵심 기반 기술로 자리매김하고 있습니다.
2차원 소재 및 나노복합재의 설계와 응용
본 연구실은 그래핀, 보로핀, 전이금속 칼코게나이드(WS2, MoS2 등)와 같은 2차원 소재의 성장, 구조적 안정성, 계면 특성, 전기적·기계적 특성에 대한 이론적 및 시뮬레이션 연구를 선도하고 있습니다. 다양한 표면 및 계면 구조, 결함, 도핑, 표면 기능화 등을 제어하여 소재의 특성을 맞춤 설계하고, 이를 기반으로 고성능 전자소자, 투명전극, 배터리, 연료전지 등 실용적 응용을 지향합니다.
특히, 그래핀 및 2차원 소재의 대면적 합성, 결함 제어, 계면 안정성 향상, 이종접합(heterostructure) 설계 등에서 독창적인 연구 성과를 도출하고 있습니다. 예를 들어, 그래핀-금속 계면의 산화 저항성 향상, 그래핀-WS2 이종구조의 장기 안정성, 2차원 소재 기반 투명전극 및 센서의 성능 최적화, 나노복합재의 기계적·전기적 특성 향상 등 다양한 주제를 다루고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 전자소자, 에너지 저장장치, 유연 전자기기, 웨어러블 디바이스 등 미래 산업의 핵심 기술 개발에 직접적으로 연결됩니다. 소재의 원자 구조와 계면 특성을 정밀하게 제어함으로써, 고효율·고신뢰성의 혁신적 소재 및 소자 개발을 실현하고 있습니다.
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The Reconstruction of Pt(001) Surface and the Shell-Like Reconstruction of the Vicinal Pt(001) Surfaces Revealed by Neural Network Potential
Qian, C, Hedman, D, Li, P, Kim, SY, Ding, F
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