엑솔루션(ex-solution) 현상은 금속 산화물 표면에서 금속 나노입자가 자발적으로 성장하는 현상으로, 최근 고온 촉매 및 신재생 에너지 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 본 연구실은 페로브스카이트 산화물(ABO3) 구조 내에 존재하는 금속 이온이 환원 조건에서 나노 크기의 금속 입자로 표면에 배출되는 메커니즘을 실시간 투과전자현미경(TEM)과 가스 플로우 홀더 시스템을 활용해 정량적으로 규명하고 있습니다. 이러한 접근법은 기존의 나노입자 합성 및 분산 기술에 비해 빠르고 비용 효율적이며, 입자의 크기와 분포를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 엑솔루션을 통해 형성된 나노촉매는 기존 촉매에 비해 응집이 적고, 재산화 과정을 통해 촉매의 수명을 획기적으로 연장할 수 있습니다. 본 연구실은 다양한 금속(Fe, Co, Ni, Pd 등)이 도핑된 페로브스카이트 산화물에서 엑솔루션 현상을 유도하고, 이로부터 생성된 나노입자의 촉매 활성 및 내구성을 평가합니다. 특히, 연료전지, 메탄 개질, CO 산화, 환경 가스 센서 등 다양한 응용 분야에서의 고성능 촉매 개발에 집중하고 있습니다. 최근에는 엑솔루션 현상의 저온화, 다성분 금속 나노입자 형성, 비정질화와 나노촉매의 동시 생성 등 새로운 현상을 규명하고, 이를 기반으로 수소 생산, 산소 환원 반응(ORR), 고효율 가스 센서 등 차세대 에너지 및 환경기술에 적용하고 있습니다. 이러한 연구는 Advanced Materials, Energy & Environmental Science, ACS Applied Materials & Interfaces 등 세계적 학술지에 다수 게재되었으며, 관련 특허 및 국가연구개발 우수성과로도 인정받고 있습니다.

차세대 전자기기 및 무선통신 기술의 핵심은 초저유전율(low-k) 소재의 개발과 그 신뢰성 확보에 있습니다. 본 연구실은 3차원 나노격자 구조의 세라믹 소재를 설계하고, 투광 리소그래피 및 건식 에칭, 금속 증착 등 첨단 공정을 통해 초저유전율과 기계적, 열적 안정성을 동시에 갖춘 나노격자 절연체를 개발하고 있습니다. 이 소재는 기존의 다공성 유전체가 가진 기계적 취약성과 열적 불안정성을 극복하며, 전기적 절연 신뢰성도 크게 향상시킵니다. 실시간 주사전자현미경(SEM) 및 고전압 옵틱스 시스템을 활용해 나노격자 구조의 기계적·전기적 특성을 정밀하게 측정하고, 반복적인 변형(압축, 굽힘, 비틀림 등)에도 우수한 복원력과 절연 특성을 유지함을 입증하였습니다. 특히, 밀도 구배가 도입된 나노격자 구조는 기존 균일 밀도 구조에 비해 1.5~3.3배 높은 절연 파괴 강도를 보이며, 100회 이상의 반복 압축에도 전기적 특성이 완전히 복원됩니다. 이러한 연구는 차세대 집적회로(IC), 안테나, 바이오센서, 플렉서블 디스플레이 등 다양한 전자소자에 적용될 수 있으며, 관련 특허와 Advanced Materials, Nano Letters 등 저명 학술지에 연구 성과가 발표되었습니다. 또한, 본 연구실은 저유전율 소재의 신뢰성 평가와 더불어, 실제 소자 제작 및 응용까지 아우르는 융합 연구를 지속적으로 수행하고 있습니다.

본 연구실은 페로브스카이트 및 다양한 금속 산화물, 황화물, 질화물 등 나노구조 소재를 기반으로 고효율 광전기화학(PEC) 물분해 및 태양광 에너지 변환 기술을 연구합니다. BiVO4, SrTiO3, ZnO/Ta3N5 등 다양한 나노구조 광전극을 합성하고, 이종접합, 나노입자 도핑, 표면 패시베이션 등 구조적·화학적 제어를 통해 광전류 밀도와 장기 안정성을 크게 향상시켰습니다. 특히, SnS2, Fe3O4, CoO 등 나노입자를 표면에 임베딩하거나, 비정질화-결정화 과정을 제어하여 전하 분리 효율을 극대화하고, 내구성을 강화하는 새로운 하이브리드 광전극을 개발하였습니다. 실시간 TEM, X선 회절, 광전자분광 등 첨단 분석기법을 활용해 나노구조의 성장, 상전이, 분해 메커니즘을 규명하고, 실제 PEC 셀에서의 성능을 정량적으로 평가합니다. 이러한 연구는 태양광 기반 수소 생산, 이산화탄소 전환, 차세대 태양전지 등 신재생 에너지 분야에 직접적으로 기여하며, Small, Small Methods, Journal of Alloys and Compounds 등 국제 저널에 다수의 논문이 게재되었습니다. 또한, AI 기반 소재 설계, 대면적 코팅, 장기 내구성 평가 등 산업적 확장성도 적극적으로 모색하고 있습니다.