X-ray Laboratory for Nanoscale Phenomena
물리/광화학과 노도영
X-ray Laboratory for Nanoscale Phenomena(나노현상 X-선 연구실)는 첨단 X-선 광원을 활용한 나노스케일 구조 및 동역학 연구를 선도하는 연구실입니다. 본 연구실은 싱크로트론 X-선, X-선 자유전자레이저(XFEL), 고출력 레이저 등 다양한 광원과 자체 개발한 X-선 이미징 및 회절 시스템을 기반으로, 나노 및 원자 수준에서 물질의 구조와 동적 변화를 실시간으로 관찰하고 분석하는 데 중점을 두고 있습니다.
주요 연구 분야로는 코히런트 X-선 이미징, X-선 나노패터닝, 초고속 격자 및 전자 동역학, 표면 및 계면의 나노스케일 현상, 전이금속 산화물의 상전이, 박막 성장 및 촉매 반응, 바이오 및 기능성 소재의 3차원 구조 분석 등이 있습니다. 특히, 펨토초 시간 분해 X-선 실험과 단일 입자 이미징, 다중 모드 X-선 탐침 기법을 통해 기존 분석 방법의 한계를 극복하고, 새로운 물리 현상과 재료의 기능성을 규명하고 있습니다.
본 연구실은 X-선 산란, 회절, 분광, 이미징 등 다양한 실험적 접근과 더불어, 양자역학적 시뮬레이션 및 분자동역학 계산을 병행하여 실험 결과의 해석과 예측 모델링을 수행합니다. 이를 통해 나노구조체, 박막, 촉매, 산화물, 바이오시스템 등 다양한 소재의 구조적·전자적 특성을 정량적으로 분석하고, 새로운 기능성 재료의 설계와 응용 가능성을 제시하고 있습니다.
또한, 자체 개발한 X-선 및 레이저 기반 실험 장비와 분석 기법을 바탕으로 국내외 대형 가속기 시설과의 공동연구를 활발히 진행하고 있으며, 나노과학, 재료과학, 에너지, 바이오, 디스플레이 등 다양한 분야의 융합 연구를 이끌고 있습니다. 이러한 연구 성과는 차세대 정보소자, 에너지 변환, 촉매, 바이오 이미징 등 첨단 산업 분야의 혁신을 견인하고 있습니다.
X-ray Laboratory for Nanoscale Phenomena는 나노 및 원자 수준에서 물질의 근본적인 구조와 동역학을 규명함으로써, 과학적 발견과 기술 혁신을 동시에 추구하는 세계적 수준의 연구실로 자리매김하고 있습니다.
X-ray Diffraction
Thin Film Epitaxy
Metal-Insulator Transition
코히런트 X-선 이미징 및 회절 기술 개발
코히런트 X-선 이미징(Coherent X-ray Imaging)과 회절 이미징 기술은 나노 및 원자 수준에서 물질의 구조를 비파괴적으로 관찰할 수 있는 첨단 분석 방법입니다. 본 연구실은 싱크로트론 X-선 및 X-선 자유전자레이저(XFEL)와 같은 고휘도 광원을 활용하여, 기존 광학적 한계를 뛰어넘는 해상도의 이미징 기술을 개발하고 있습니다. 이를 통해 생체 고분자, 나노입자, 박막, 나노구조체 등 다양한 시료의 3차원 구조와 내부 변화를 실시간으로 관찰할 수 있습니다.
특히, 단일 입자 이미징(single-particle imaging), 펨토초 시간 분해 이미징, 다중 모드 X-선 탐침 기법 등 다양한 실험적 접근을 통해, 나노스케일에서 일어나는 동적 현상과 구조적 이질성, 물질 내 응력 분포 등을 정량적으로 분석하고 있습니다. 이러한 기술은 나노소재, 촉매, 바이오시스템 등 다양한 분야에서 혁신적인 연구를 가능하게 하며, 기존의 전자현미경이나 광학현미경으로는 관찰이 어려운 영역까지 분석할 수 있습니다.
본 연구실은 또한 X-선 이미징의 신호 대 잡음비 향상, 위상 복원 알고리즘 개발, 해상도 극대화 등 기초 기술의 고도화에 집중하고 있습니다. 이를 통해 국내외 대형 가속기 시설과 연계한 공동연구를 활발히 수행하며, 차세대 나노과학 및 재료과학 연구의 핵심 인프라로 자리매김하고 있습니다.
초고속 격자 및 전자 동역학 연구
본 연구실은 펨토초(10^-15초) 수준의 초고속 X-선 펄스를 이용하여, 물질 내 격자 및 전자의 동적 거동을 실시간으로 관찰하는 연구를 선도하고 있습니다. 레이저 펌프-프로브 기법과 X-선 자유전자레이저(XFEL) 기반의 시간 분해 회절 및 분광 실험을 통해, 금속, 산화물, 반도체 등 다양한 물질에서 일어나는 비평형 상전이, 초고속 융해, 전자-이온 상호작용 등의 근본적인 현상을 규명하고 있습니다.
특히, 전자와 격자의 에너지 전달, 초고속 상전이 과정에서의 핵 생성 및 성장, 전자 궤도 다이나믹스 등 기존의 열평형 상태에서는 관찰할 수 없는 새로운 물리 현상을 실험적으로 밝혀내고 있습니다. 이러한 연구는 신소재 개발, 에너지 변환, 정보 저장 등 첨단 산업 분야에서 요구되는 초고속 소자 및 기능성 재료의 원리 이해에 중요한 기초를 제공합니다.
또한, 본 연구실은 양자역학적 시뮬레이션과 분자동역학 계산을 병행하여, 실험 결과의 해석과 예측 모델링을 수행하고 있습니다. 이를 통해 초고속 현상의 미시적 메커니즘을 정량적으로 분석하고, 새로운 물질 설계 및 기능 제어의 가능성을 제시하고 있습니다.
표면 및 계면의 나노스케일 현상 연구
표면과 계면에서 발생하는 나노스케일 현상은 재료의 물리적, 화학적 특성에 결정적인 영향을 미칩니다. 본 연구실은 X-선 산란, 회절, 분광 기술을 활용하여, 박막, 나노입자, 촉매, 산화물 등 다양한 시스템의 표면 및 계면에서 일어나는 구조적 변화, 상전이, 원자 및 전자 이동 현상 등을 심도 있게 연구하고 있습니다.
특히, 전이금속 산화물의 상전이, 금속-절연체 전이, 산화/환원 반응, 촉매 표면의 원자 재배열 등 복잡한 계면 현상을 실시간(in-situ) 및 작동환경(operando) 조건에서 관찰함으로써, 재료의 기능성과 신뢰성 향상에 기여하고 있습니다. 또한, 나노구조체의 성장 및 패터닝, 계면 응력 완화, 원자 수준의 결함 및 도메인 구조 분석 등 다양한 주제를 다루고 있습니다.
이러한 연구는 차세대 전자소자, 촉매, 에너지 재료, 디스플레이 소재 등 실용적 응용 분야와도 밀접하게 연계되어 있습니다. 본 연구실은 표면 및 계면의 나노스케일 현상을 정밀하게 제어하고, 새로운 기능성 재료의 개발을 위한 과학적 기반을 마련하고 있습니다.
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Investigations on the Origin of Topotactic Phase Transition of LaCoO3 Thin Films with In Situ XRD and Ambient Pressure Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy
Hyunsuk Shin, Youngmin Yun, Okkyun Seo, Seongeun Kim, Minsik Seo, Dongwoo Kim, Hojoon Lim, Hojun Oh, Subin Jang, Kyungmin Kim, Sae Hyun Kang, Adrian Hunt, Iradwikanari Waluyo, Do Young Noh, Bongjin Simon Mun, Hyon Chol Kang
ACS Applied Materials & Interfaces, 2024
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Short-range positional order in phase separated indium gallium oxide islands deposited in a reducing atmosphere
Su Yeon Cha, Sukjune Choi, Dongwoo Kim, Okkyun Seo, Bongjin Simon Mun, Do Young Noh, Hyon Chol Kang
Applied Surface Science, 2023
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Strain relaxation in epitaxial SrTi0.5Fe0.5 O thin films on LaAlO3: An X-ray reciprocal space mapping study
Sung Soo Ha, Bonjae Koo, In Hwa Cho, Jaemyung Kim, Jin-Woo Kim, Woo Chul Jung, Do Young Noh
Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2022
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첨단 광기술 기반 미래 에너지 자원 개발 사업
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BK21 플러스 사업(첨단광융합과학사업단) 7차년도
