본 연구실은 독창적인 결정 대칭성을 가진 새로운 이차원(2D) 소재의 합성과 구조 분석을 핵심 연구 분야로 삼고 있습니다. 기존의 벌크 소재와는 다른 결정 구조와 대칭성을 갖는 2D 소재를 개발함으로써, 전통적인 소재에서 발견되지 않는 새로운 물리적 특성을 탐구하고 있습니다. 이러한 소재의 합성은 열역학적 에너지와 동역학적 요인을 정밀하게 고려하여 이루어지며, 이온 및 전자/정공의 이동과 같은 동적 상태에서의 거동을 심층적으로 분석합니다. 특히, III-V 및 IV족 반도체, 금속, 절연체 등 다양한 계열의 2D 소재를 개발하고, 이들의 결정 구조를 원자 단위에서 제어하는 기술을 보유하고 있습니다. 이러한 연구는 소재의 결정 구조와 물성 간의 상관관계를 규명하고, 새로운 기능성 소재의 설계 원리를 제시하는 데 중점을 두고 있습니다. 최근에는 다형성(Polymorphism) 제어, 결정 대칭성 조작, 그리고 결정 내 결함 및 계면 제어를 통해 소재의 전기적, 기계적, 광학적 특성을 극대화하는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 이러한 연구는 차세대 반도체, 에너지 소재, 촉매, 센서 등 다양한 응용 분야로의 확장 가능성을 지니고 있습니다. 또한, 소재의 합성에서부터 구조 분석, 물성 평가, 소자 응용까지 전 주기를 아우르는 융합적 접근을 통해, 미래 신소재 개발의 패러다임을 선도하고 있습니다.

본 연구실은 이차원 반도체 및 금속 소재의 이온 및 전하 이동 특성을 정밀하게 제어하여, 멤트랜지스터(memtransistor)와 뉴로모픽 소자 개발에 주력하고 있습니다. 기존의 반도체 소자는 전자 또는 정공의 이동만을 제어하는 데 한정되어 있었으나, 본 연구실에서는 이온 이동 경로(특히 van der Waals gap)를 활용하여 전하와 이온의 동시 제어가 가능한 혁신적 소자 구조를 구현하고 있습니다. 이러한 멤트랜지스터는 메모리와 트랜지스터 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 다중 상태 제어, 저전력 구동, 아날로그 및 디지털 신호 처리 등 기존 소자에서 구현하기 어려운 기능을 제공합니다. 특히, 인메모리 컴퓨팅 및 뉴로모픽 하드웨어 구현에 최적화된 소재와 소자 구조를 개발하여, 인간 두뇌의 고밀도 메모리와 에너지 효율적 정보처리 방식을 모방하는 차세대 인공지능 하드웨어의 실현을 목표로 하고 있습니다. 최근에는 III-V 및 IV족 계열의 새로운 2D 반도체를 기반으로, 이온 이동 경로의 에너지 장벽을 낮추고, 소자의 스위칭 전압을 최소화하는 연구가 진행되고 있습니다. 또한, 멤트랜지스터의 3차원 집적화, 소자 간 상호 연결, 칩 레벨에서의 신호 처리 등 시스템 통합 연구도 병행하여, 미래형 반도체 및 인공지능 하드웨어의 핵심 기술을 선도하고 있습니다.

연구실은 이차원 멤브레인 및 절연체 소재의 van der Waals gap을 활용한 이온 이동 및 선택적 이온 수송 기술을 개발하고 있습니다. 이러한 2D 멤브레인은 화학 퍼텐셜, 열 구배, 전기장 등 다양한 구동력 하에서 이온의 이동을 유도할 수 있으며, 이를 통해 전력 생산, 수처리, 자원 추출 등 에너지 및 환경 분야에 혁신적인 솔루션을 제시하고 있습니다. 특히, 리튬 이온 배터리, 해수에서의 리튬 추출, 이온 체(sieving) 기반 수처리, 염분차 발전 등 다양한 응용 분야에서 2D 멤브레인의 우수한 선택성과 내구성을 실험적으로 입증하고 있습니다. 생체 이온 채널에서 영감을 받은 채널 크기, 표면 전하, 결합 사이트 설계 등 미세 구조 제어를 통해, 기존 멤브레인 소재의 한계를 극복하고 있습니다. 이러한 연구는 에너지 효율 향상, 친환경 자원 활용, 차세대 분리막 및 센서 개발 등 사회적·산업적 파급효과가 매우 큽니다. 또한, 소재의 합성-구조-물성-응용을 아우르는 전방위적 연구를 통해, 미래 에너지 및 환경 문제 해결에 기여하고 있습니다.

본 연구실은 나노패터닝 및 나노이미징 분야에서 대면적 병렬화와 고해상도 구현을 동시에 달성하는 혁신적 공정 기술을 개발하고 있습니다. 기존의 전자빔, 이온빔 기반 나노패터닝은 높은 해상도에도 불구하고 저생산성과 높은 비용이 한계였으나, 연구실에서는 광학적 다중 탐침 시스템, 근접장 포토리소그래피, 캔틸레버 없는 스캐닝 프로브 어레이 등 다양한 병렬화 기술을 통해 대면적 고해상도 나노패터닝을 실현하고 있습니다. 특히, 탄성체 기반 포토마스크, 다중 광학 프로브, 슈퍼해상 근접장 효과 등 첨단 기술을 융합하여, 8인치 웨이퍼 수준의 대면적에서 수십 나노미터 이하의 패턴을 신속하게 구현할 수 있습니다. 또한, 병렬 스캐닝 프로브 이미징 시스템을 통해, 기존 원자힘현미경(AFM)이나 주사터널링현미경(STM)의 한계를 극복하고, 대면적 고속 이미징을 가능하게 하였습니다. 이러한 기술은 차세대 반도체, 디스플레이, 센서, 바이오칩 등 다양한 산업 분야에서 핵심적인 역할을 하며, 연구실은 소재-공정-소자 융합 연구를 통해 미래 나노기술의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.