손창윤 연구실의 핵심 축은 계산화학과 이론화학을 바탕으로 복잡한 분자계의 거동을 정량적으로 이해하는 것이다. 특히 화학열역학, 분자동역학 시뮬레이션, 예측 가능한 분자모형 개발을 통해 실험만으로는 파악하기 어려운 분자 수준의 상호작용과 자유에너지 지형을 해석하는 데 집중한다. 이러한 접근은 전해질, 계면, 나노구조 물질, 복합 분자소재 등 다양한 화학 시스템에서 구조와 성질의 연결고리를 규명하는 데 매우 중요하다. 연구실은 제일원리 기반 모델, 역장 개발, 분자동역학 시뮬레이션, 열역학적 해석을 결합하여 이온 이동, 계면 반응, 상전이, 메타안정 구조 형성 같은 현상을 설명하는 연구를 수행한다. 단순히 계산 결과를 제시하는 데 그치지 않고, 실험 연구와 결합하여 관측된 현상의 원인을 분자적 관점에서 해석하고, 새로운 물질 설계를 위한 예측 지침을 제공하는 방향을 지향한다. 이는 고체 전해질, 수소 저장 물질, 기능성 고분자, 무기 산화물 등 여러 응용 시스템으로 확장되고 있다. 이 연구 주제의 강점은 기초 과학적 이해와 응용 소재 설계를 동시에 연결한다는 점이다. 열역학과 동역학을 함께 다루는 이론 체계는 차세대 에너지 저장장치, 수소 관련 소재, 반도체 및 센서용 소재 개발의 기반이 된다. 앞으로도 이 연구실은 복잡한 화학 시스템의 거동을 정밀하게 예측할 수 있는 계산 프레임워크를 고도화하여, 새로운 분자 설계 원리와 재료 혁신으로 이어지는 이론 중심 연구를 발전시킬 것으로 보인다.

연구실의 대표적인 응용 분야 중 하나는 차세대 에너지 저장 및 변환을 위한 고분자 전해질 연구이다. 고체 상태에서도 높은 이온전도도와 기계적 안정성을 동시에 확보하는 것은 배터리, 연료전지, 소프트 액추에이터 같은 기술의 핵심 과제이며, 연구실은 이러한 문제를 분자 수준에서 해결하고자 한다. 특히 고분자 주쇄와 작용기 설계, 수소결합 네트워크, 이온성 액체와의 복합화 등을 통해 초이온전도 특성을 유도하는 메커니즘을 탐구한다. 관련 연구에서는 이온의 이완과 고분자 사슬의 이완이 어떻게 분리되는지, 유리상 고분자 매트릭스 내부에서 어떤 이온 채널이 형성되는지, 그리고 저온 조건에서도 프로톤 호핑이나 리튬 이온 이동이 어떻게 유지되는지를 정밀하게 분석한다. 이러한 연구는 단순한 전도도 향상이 아니라, 구조적 이질성과 동역학적 이질성이 이온 이동을 촉진하는 원리를 밝히는 데 초점을 둔다. 분자동역학 시뮬레이션과 열역학적 해석은 실험적으로 확인된 전도 특성의 원인을 해명하는 중요한 도구로 활용된다. 이 연구는 안전성, 비가연성, 친환경성까지 고려한 차세대 전해질 설계로 확장되고 있다. 과불화화합물을 포함하지 않는 생체모방형 전해질, 수소이온 교환막, 리튬 금속 배터리용 고체 전해질 등은 에너지 기술의 지속가능성을 높일 수 있는 중요한 방향이다. 따라서 이 연구실의 전해질 연구는 고분자 화학, 물리화학, 계산화학을 융합하여 미래 배터리와 연료전지의 성능 한계를 넘는 데 기여하는 전략적 연구 분야라고 할 수 있다.

손창윤 연구실은 계면에서 일어나는 반응과 구조 형성의 동역학을 이해하고 이를 바탕으로 차세대 기능성 소재를 설계하는 연구도 수행한다. 나노소재, 유무기 복합 분자소재, 반도체 및 센서용 재료는 벌크 내부보다 계면에서 결정되는 물성이 훨씬 많기 때문에, 계면 반응동역학에 대한 정교한 이해가 필수적이다. 연구실은 차원경계가 포함된 소재합성, 계면 결정생성, 리간드 교환 기반 산화물 합성 등 다양한 문제를 이론적으로 분석하고 설계 원리를 도출한다. 특히 최근 연구에서는 배위 리간드의 분자 설계를 통해 솔-젤 산화물의 다기능성을 확보하거나, 박막 트랜지스터용 산화물 재료에서 유전 특성, 전하 이동도, 패터닝 가능성을 동시에 향상시키는 방향이 제시되고 있다. 이러한 시스템에서는 리간드 구조, 무기 전구체, 용액 공정, 계면 안정성, 전하 전달 경로가 복합적으로 얽혀 있기 때문에 분자 수준의 이론적 해석이 중요하다. 연구실은 이러한 복합 인자를 정리하여 합성-구조-성능 간 상관관계를 체계화하는 데 기여한다. 이 주제는 에너지 소재뿐 아니라 반도체, 센서, 전자소자 분야와도 긴밀하게 연결된다. 계면 반응을 정밀 제어하면 원하는 결정상, 전하 수송 특성, 기계적 안정성, 환경 내구성을 동시에 확보할 수 있으며, 이는 대면적 공정과 실제 소자 적용에도 직결된다. 따라서 연구실의 계면 반응동역학 연구는 화학의 기초 원리를 토대로 미래 전자재료와 기능성 하이브리드 소재를 설계하는 데 중요한 기반을 제공한다.