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.

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.

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.