김미영 연구실은 첨단 투과전자현미경(TEM)과 전자 에너지 손실 분광법(EELS), 4D-STEM 등 다양한 분석 기법을 활용하여 재료의 원자 및 전자 구조를 정밀하게 규명합니다. 이러한 분석은 2차원 소재, 전이금속 산화물, 반도체, 금속, 나노구조체 등 다양한 재료에 적용되어, 결함, 계면, 도메인, 나노입자 등 미세구조의 특성과 그에 따른 물성 변화를 심도 있게 파악합니다. 특히, 수차보정 STEM, 저선량 전자현미경, 머신러닝 기반 데이터 분석 등 최신 기법을 접목하여 기존 분석의 한계를 극복하고, 원자 단위에서의 구조-물성 상관관계를 밝히는 데 주력하고 있습니다. 이러한 연구는 재료 내 결함의 정량적 분석, 계면의 원자 배열, 도메인 구조의 진화, 나노입자의 표면 및 내부 구조 등 다양한 현상을 실시간 또는 3차원적으로 관찰할 수 있게 하며, 이를 통해 재료의 기능성 향상과 신소재 개발에 필수적인 정보를 제공합니다. 최근에는 다중모달 복셀 투과전자현미경, 4D-STEM 기반의 전자 회절 및 위상 분석, EELS 토모그래피, 인공지능 기반 데이터 분류 등 혁신적 분석법을 개발하여, 재료의 잠재적 특성을 다각적으로 입체 분석하고 있습니다. 이러한 원자 및 전자 구조 분석 연구는 차세대 반도체, 이차전지, 촉매, 광전자소자, 스핀트로닉스 등 다양한 첨단 산업 분야에서 요구되는 고성능 재료의 설계와 최적화에 직접적으로 기여하고 있습니다. 또한, 실시간 전압-전류 측정, 극저온 환경, 고온·고압 등 다양한 조건에서의 동적 구조 변화를 관찰함으로써, 실제 구동 환경에서의 재료 거동을 이해하고, 신뢰성 높은 소재 개발의 기반을 마련하고 있습니다.

본 연구실은 차세대 에너지 저장장치인 이차전지(리튬이온, 나트륨이온 등)와 비휘발성 메모리 소자(레지스터, 멤리스터 등)에 적용되는 나노구조 재료의 합성, 구조 분석, 동작 메커니즘 규명에 중점을 두고 있습니다. 다양한 금속 산화물, 전이금속 칼코게나이드, 탄소 기반 나노소재, 합금 등 첨단 소재를 직접 합성하고, 그 미세구조와 계면 특성을 원자 단위에서 분석하여, 충·방전 과정에서의 구조적 변화, 결함 진화, 상전이, 이온 이동 경로 등을 실시간으로 관찰합니다. 특히, 실시간(in-situ) TEM 분석, 전자현미경 기반 전기적 측정, 동적 전자분광법 등을 활용하여, 이차전지 양·음극 소재의 충방전 시 발생하는 나노스케일 구조 변화와 그에 따른 전기화학적 성능 저하(예: 균열, 상분리, 계면 반응 등)를 규명합니다. 또한, 산화물 기반 멤리스터, 저항 변화 메모리(ReRAM) 등 차세대 메모리 소자에서의 산소 공공, 도전 필라멘트, 계면 반응 등 저항 변화 메커니즘을 원자 단위에서 직접 관찰하고, 전기적 특성과의 상관관계를 밝히고 있습니다. 이러한 연구는 고에너지밀도·고수명 이차전지, 신뢰성 높은 비휘발성 메모리 소자 개발에 필수적인 소재 설계 및 공정 최적화에 중요한 역할을 합니다. 더불어, 실시간 구조 분석과 전기화학적 특성 평가를 결합함으로써, 실제 구동 환경에서의 소재 내구성, 안전성, 효율성 향상에 기여하고 있습니다. 최근에는 인공지능 기반 데이터 분석, 다중모달 실험, 3차원 구조 복원 등 첨단 기법을 접목하여, 복잡한 나노구조 재료의 동작 메커니즘을 더욱 정밀하게 규명하고 있습니다.