Multiscale Microstructure Analysis Laboratory
신소재공학부 김태훈
Multiscale Microstructure Analysis Laboratory(다중스케일 미세구조 분석 연구실)는 전남대학교 신소재공학부 김태훈 교수 연구팀이 이끄는 첨단 소재 분석 및 개발 연구실입니다. 본 연구실은 재료의 미세구조와 물성 간의 상관관계를 규명하고, 이를 바탕으로 차세대 고성능 소재를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 특히, 거시적 수준에서부터 나노 및 원자 단위까지 다양한 스케일에서 재료의 구조를 정밀하게 분석함으로써, 재료의 근본적인 거동과 특성을 심층적으로 이해하고자 합니다.
주요 연구 분야로는 In-situ 투과전자현미경(TEM) 및 주사전자현미경(SEM)을 활용한 실시간 미세구조 분석, 고성능 희토류 및 비희토류 영구자석(Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe16N2 등) 개발, 자기 스커미온 및 스핀트로닉스 응용을 위한 나노자성 구조 연구, Ni 기반 초내열 합금 분말 및 3D 프린팅 소재 개발, 나노소재 합성 및 분석 등이 있습니다. 이러한 연구는 전자, 에너지, 모빌리티, 정보저장 등 다양한 첨단 산업 분야에 직접적으로 응용될 수 있는 기반 기술을 제공합니다.
특히, 본 연구실은 SEM, TEM, EBSD, EPMA 등 세계적 수준의 첨단 분석 장비를 보유하고 있으며, In-situ 환경에서의 실시간 분석을 통해 기존의 정적 분석을 넘어 동적 현상까지 규명할 수 있는 독보적인 연구 역량을 갖추고 있습니다. 이를 통해 재료의 상전이, 결함 진화, 자기 도메인 변화, 나노구조 형성 등 복잡한 현상을 원자 수준에서 해석하고, 미세구조 제어를 통한 소재 성능 극대화 전략을 제시하고 있습니다.
또한, 희토류 사용 저감 및 대체 소재 개발, 환경 친화적 소재 합성, 차세대 에너지 및 정보소자용 신소재 개발 등 국가적·산업적 요구에 부응하는 다양한 연구 프로젝트를 수행하고 있습니다. 국내외 유수 연구기관 및 산업체와의 협력도 활발히 이루어지고 있으며, 다수의 우수 논문 발표와 특허, 수상 실적을 통해 연구의 우수성과 혁신성을 인정받고 있습니다.
Multiscale Microstructure Analysis Laboratory는 미래 소재 과학의 핵심인 미세구조-물성 상관관계 규명과 첨단 소재 개발을 선도하며, 차세대 산업 발전과 과학기술 혁신에 기여하는 연구실로 자리매김하고 있습니다.
Multi-scale Microstructure Analysis
Nd-Fe-B Magnets
Iron Nitride Magnet Synthesis
원자 단위 다중스케일 미세구조 분석 및 In-situ 투과전자현미경(TEM) 기술
우리 연구실은 다양한 재료의 미세구조를 원자 단위에서부터 거시적 스케일까지 정밀하게 분석하는 다중스케일 미세구조 분석을 핵심 연구로 삼고 있습니다. 이를 위해 주로 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM) 등 첨단 분석 장비를 활용하여 재료의 결정 구조, 결함, 상 경계, 나노 구조 등 다양한 특성을 심층적으로 관찰합니다. 특히, In-situ TEM 기술을 통해 외부 자극(온도, 전기장, 자기장 등)에 따른 재료의 실시간 구조 변화와 동역학을 직접 관찰함으로써, 기존의 정적 분석을 넘어 동적 거동까지 규명할 수 있습니다.
In-situ TEM은 가열, 전기 바이어스, 전기화학 반응 등 다양한 환경에서 재료의 변화를 실시간으로 관찰할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 상전이, 미세구조 진화, 결함 이동, 자기 도메인 변화 등 복잡한 현상을 원자 수준에서 이해할 수 있습니다. 이러한 분석은 재료의 물성(자성, 전기적, 기계적 특성 등)과 미세구조 간의 상관관계를 밝히는 데 결정적인 역할을 하며, 신소재 개발 및 기존 소재의 성능 향상에 중요한 기초 데이터를 제공합니다.
우리 연구실은 다양한 금속, 합금, 나노소재, 영구자석, 반도체 등 폭넓은 재료군을 대상으로 다중스케일 미세구조 분석을 수행하고 있습니다. 또한, 실시간 분석 결과를 바탕으로 미세구조 제어 및 최적화 방안을 제시하고, 이를 통해 차세대 고성능 소재 개발에 기여하고 있습니다. 이러한 연구는 학계뿐만 아니라 산업계에서도 높은 관심을 받고 있으며, 국내외 다양한 연구기관 및 기업과의 협력도 활발히 이루어지고 있습니다.
고성능 영구자석 소재 개발 및 미세구조-자기특성 상관관계 연구
본 연구실은 희토류 기반 Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe16N2 등 다양한 영구자석 소재의 개발과 이들의 미세구조 및 자기특성 간의 상관관계 규명에 중점을 두고 있습니다. 영구자석은 전기자동차, 풍력발전, 전자기기 등 첨단 산업에서 핵심적인 역할을 하며, 그 성능은 미세구조(입자 크기, 결정립 경계, 상 분포 등)에 의해 크게 좌우됩니다. 특히, 고성능 영구자석의 개발을 위해서는 높은 보자력과 잔류자화, 열적 안정성 확보가 필수적입니다.
우리 연구실은 Nd-Fe-B 소결자석, Sm-Co 자석, 희토류 프리(Fe16N2) 자석 등 다양한 시스템에서 입계 확산 공정, 합금 설계, 열처리 조건 최적화 등 다양한 공정 변수를 제어하여 미세구조를 조절하고, 이를 통해 자기특성의 극대화를 추구합니다. SEM, TEM, EBSD, EPMA 등 첨단 분석기법을 활용하여 결정립 구조, 상 경계, 원소 분포, 결함 구조 등을 정밀하게 분석하고, 이를 바탕으로 미세구조와 자기특성(보자력, 잔류자화, 에너지 곱 등) 간의 인과관계를 체계적으로 규명합니다.
또한, 희토류 사용량 저감 및 대체 소재 개발에도 적극적으로 참여하고 있습니다. Fe16N2와 같은 비희토류 기반 자석의 합성, 미세구조 제어, 자기특성 향상 방안 등을 연구하며, 환경 친화적이고 경제적인 차세대 영구자석 소재 개발에 기여하고 있습니다. 이러한 연구는 국가 전략 소재 자립화, 친환경 에너지 산업 발전, 첨단 모빌리티 및 전력 시스템의 고도화에 중요한 역할을 하고 있습니다.
자기 스커미온 및 스핀트로닉스 응용을 위한 나노자성 구조 연구
우리 연구실은 차세대 정보 저장 및 처리 기술로 주목받고 있는 스핀트로닉스 응용을 위해, 자기 스커미온(magnetic skyrmion)과 같은 나노자성 구조의 형성, 거동, 제어에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 자기 스커미온은 나노미터 크기의 소용돌이형 스핀 구조로, 토폴로지적으로 안정적이며 외부 자극(자기장, 전류, 온도 등)에 의해 쉽게 생성 및 소멸, 이동이 가능하다는 점에서 차세대 메모리, 논리소자, 센서 등에 활용될 수 있습니다.
본 연구실은 In-situ Lorentz TEM, 전자 홀로그래피 등 첨단 전자현미경 기법을 활용하여 스커미온의 실시간 생성, 소멸, 이동, 상전이 등 동역학적 현상을 원자 및 나노스케일에서 직접 관찰하고, 외부 자극에 따른 스커미온의 거동 메커니즘을 규명합니다. 또한, Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI), 교환 상호작용, 외부 응력 등 다양한 인자가 스커미온의 형성 및 안정성에 미치는 영향을 이론 및 실험적으로 분석합니다.
이러한 연구를 통해 스커미온 기반 소자의 구현 가능성을 높이고, 스핀트로닉스 분야의 혁신적인 응용 기술 개발에 기여하고 있습니다. 나아가, 스커미온의 동적 거동을 제어할 수 있는 소재 설계 및 공정 기술을 개발함으로써, 초저전력·고속 정보처리, 비휘발성 메모리, 차세대 센서 등 다양한 첨단 산업 분야에 적용할 수 있는 기반을 마련하고 있습니다.
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Dirac Electrons in a Dodecagonal Graphene Quasicrystal
Sung Joon Ahn#, Pilkyung Moon#, Tae-Hoon Kim#, Hyun-Woo Kim, Ha-Chul Shin, Eun Hye Kim, Hyun Woo Cha, Se-Jong Kahng, Philip Kim, Mikito Koshino, Young-Woo Son, Cheol-Woong Yang, Joung Real Ahn
Science, 2018
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Topological defect mediated helical phase reorientation by uniaxial stress
Tae-Hoon Kim, Haijun Zhao, Brandt A. Jensen, Liqin Ke*, Lin Zhou*
Physical Review Letters, 2025
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Mechanisms of Skyrmion and Skyrmion Crystal Formation from the Conical Phase
Tae-Hoon Kim, Haijun Zhao, Ben Xu, Brandt A. Jensen, Alexander H. King, Matthew J. Kramer, Cewen Nan, Liqin Ke, Lin Zhou
Nano Letters, 2020
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원자 배치 정밀 제어 기반 중희토류 완전 배제-경희토류 극저감형 차세대 연구자석 소재 개발
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경자기지수 75 이상 고성능 희토류 자석의 국내 제조기술 확보
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나노조직제어로 개선된 260Wkg 이상 고출력 소형화 조향 모터 기술개발
