본 연구실은 2차원 소재(그래핀, 전이금속 칼코게나이드 등)를 기반으로 한 양자 및 위상학적 소자 개발에 중점을 두고 있습니다. 2차원 소재는 기존의 벌크 재료와 달리 원자 단위의 두께와 독특한 전자 구조를 가지며, 이를 활용해 새로운 양자 현상(예: 양자 홀 효과, 위상 절연체, 웨일 준금속 등)을 실험적으로 구현하고 있습니다. 특히, 상전이, 결정학, 소자 공정 및 측정, 광학, 투과전자현미경, 전자구조계산 등 다양한 분야의 융합 연구를 통해 이종구조상 소자(heterophase homojunction device)와 같은 혁신적인 소자 구조를 세계 최초로 구현하였습니다. 이러한 연구는 단순히 새로운 물리 현상을 발견하는 데 그치지 않고, 실제 소자 응용으로의 확장 가능성을 제시합니다. 예를 들어, 배리스터(Barristor) 소자의 발명은 에너지 장벽을 정밀하게 제어할 수 있는 트랜지스터 구조로, 전 세계적으로 광학/가스 센서, 뉴로모픽 소자 등 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 또한, 2차원 소재의 상전이 제어 및 위상 엔지니어링을 통해 전자, 스핀, 열 에너지의 원자 단위 수송 특성을 정밀하게 조절할 수 있습니다. 이 연구는 차세대 반도체, 양자 정보, 에너지 변환, 신경모방 컴퓨팅 등 다양한 첨단 산업 분야에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 앞으로도 본 연구실은 2차원 소재의 새로운 물리적 특성과 이를 활용한 혁신적 소자 개발을 통해, 학계와 산업계 모두에 기여하는 선도적 연구를 지속할 계획입니다.

인공지능(AI) 시대를 맞이하여, 본 연구실은 초고집적·초절전 뉴로모픽 및 메모리 소자 개발에 주력하고 있습니다. 2차원 물질에서 발현되는 특이한 물리학적 현상을 활용하여, 기존의 선택소자, 메모리, 중앙처리장치(CPU) 기능을 하나의 2차원 소자에 통합하는 기술을 세계 최초로 제안하였습니다. 예를 들어, self-selective device array, in-sensor reservoir computing 등 새로운 개념을 도입하여, 피코줄(10^-12 J) 수준의 초저전력 구동이 가능한 메모리 소자를 구현하고 있습니다. 이러한 연구는 기존 실리콘, 산화물 기반 소자에서 구현이 어려운 초고집적(테라비트급) 메모리 및 신경모방 소자 개발을 가능하게 합니다. 실제로, 2차원 소재 기반의 멤리스터, 멤트랜지스터, 강유전성 소자 등은 생물학적 시냅스의 다양한 가소성을 모사할 수 있으며, 초저전력·고집적 신경망 구현에 필수적인 요소로 주목받고 있습니다. 또한, 단일 소자 내에서 메모리와 연산 기능을 동시에 수행할 수 있어, 기존 폰노이만 구조의 한계를 극복할 수 있습니다. 본 연구실은 이러한 혁신적 소자 개발을 위해 소재 합성, 소자 설계, 전기적/광학적 특성 평가, 이론적 모델링 등 전주기적 연구를 수행하고 있습니다. 앞으로도 초고집적·초절전 뉴로모픽 및 메모리 소자 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보하고, 차세대 인공지능 하드웨어의 핵심 기술을 선도할 계획입니다.

본 연구실은 원자 단위에서의 열, 스핀, 전자 수송 현상과 이를 기반으로 한 나노 열전소자 개발에 대한 선도적 연구를 수행하고 있습니다. 일반적으로 열/온도 현상은 거시적 단위에서 이해되어 왔으나, 본 연구실은 1 nm 이하의 원자 크기에서 발생하는 격자 대칭 붕괴, 포논 퍼들(phonon puddles) 등 미시적 열 현상을 세계 최초로 규명하였습니다. 이를 통해 전자와 포논의 산란(scattering) 현상이 나노 열전소자 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 있습니다. 특히, 스핀, 전자, 열 에너지의 원자 단위 수송 특성을 정밀하게 측정·제어함으로써, 기존 열전소자의 한계를 극복하고 새로운 에너지 변환 및 센서 소자 개발에 기여하고 있습니다. 예를 들어, 원자 단위의 열적 비평형 상태에서 전자와 포논이 어떻게 열에너지 현상을 제어하는지에 대한 실험적·이론적 연구를 통해, 차세대 고효율 열전소자 및 스핀트로닉스 소자의 설계 원리를 제시하고 있습니다. 이러한 연구는 에너지 하베스팅, 고감도 센서, 저전력 정보처리 등 다양한 응용 분야에 파급 효과를 미칠 것으로 기대됩니다. 앞으로도 본 연구실은 원자 단위의 열·스핀·전자 수송 현상에 대한 근본적 이해와 이를 활용한 혁신적 나노소자 개발을 통해, 에너지 및 정보기술 분야의 새로운 패러다임을 제시할 계획입니다.