반도체 물질을 기반으로 1) 새로운 양자점을 합성하여 개발하고, 분광학적 분석을 통해 양자점으로 부터 2) 새로운 특성을 발견하는 연구를 수행합니다. 양자점에서는 단순히 물질의 크기를 나노 크기로 줄임으로써 기존의 벌크 물질에서는 발견되지 않는 양자 현상이 발생합니다. 이는 물질 내부로 전자의 파동 함수가 속박됨으로 나타나는 양자 제한 효과로서, 물질의 크기에 따라 띠간격이 달라지는 특성을 가지고 있습니다. 이러한 새로운 현상의 발견은 나노과학 및 나노기술의 초석이 되었으며, 현재까지 새로운 특성의 지속적인 발견과 더불어 여러 응용 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
[내재된 범용 양자 포텐셜 라이브러리를 이용한 시뮬레이션으로, 실용적 고효율 신소재 창조/개발] 혁신적인 소재/소자 및 이들의 초기능성을 개발한다. 여기에는 자기합성(Science 2001)에 의한 나노렌즈의 슈퍼해상도(Nature 2009a), CVD-합성된 그래핀(Nature 2009b)을 이용한 슈퍼자기저항(Nat. Nano. 2008), 초고속 DNA 시퀀싱(Nat. Nano. 2011), 2D 분자전자분광법(ACS Nano 2014), 초상자성을 이용한 수질정화(ACS Nano 2010)가 포함된다. 신소재 설계를 위해 기계학습에 기초한 희소-가우스-프로세스-회귀를 이용하여 범용 제1원리 에너지/힘이 내장된 라이브러리를 개발한다(Phys. Rev. B; J. Phys. Chem. Lett. 2021). 능동 학습을 통한 유사도 측정으로 국소 기하학적 특징을 이용하여 함수차수를 줄여 확장성을 준다. 즉, 상변이에 관련된 여러 국소환경들을 병합하여 복합계로의 전이/확장이 가능하고 정확한 범용 에너지/힘-빅데이타를 구축한다. 기계학습된 제1원리 분자역학 시뮬레이션은 디지털트윈 역을 담당하며, 고성능 단원자 전기촉매(Nat. Energy 2018), 중합촉매(Nat. Catal. 2018), 배터리(Adv. Energy Mater. 2022), 페로브스카이트 태양전지(Nature 2021)등을 개발한다.
우리 실험실은 매우 조직적인 팀, 재료, 그리고 유기, 무기, 고분자를 포함한 여러 형태의 물질들을 디자인하고 합성하는데 적합한 최신시설을 갖추고 있으며 이를 통해 에너지저장 및 활용, 촉매 작용 및 고성능 합성물질의 실현을 연구 목표로 삼고 있습니다. 동시에, 우리 실험실은 구성원들의 교육과 훈련을 적극적으로 증진시키며, 발명과 혁신의 영향을 극대화 시키기 위한 지식 전달을 용이하게 하고, 합성물질화학 분야에서 유니스트의 위상을 높이려 합니다.
물질 및 계면에서 전자 전도를 이해하는 것은 에너지 변환, 전자공학 및 스핀트로닉스와 같은 장치 응용 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 관련 물리적 및 화학적 현상은 다소 고전적인 이론에 의존하는 우리의 직관으로는 거의 예측할 수 없습니다. 따라서 실험 못지않게 현대 양자이론과 시뮬레이션은 통찰력을 얻고 혁신적인 재료를 설계하기 위해 매우 중요합니다. 우리의 연구 관심분야 중 하나는 최첨단 시뮬레이션 도구를 사용하여 재료의 다양한 특성을 예측하는 것입니다. 효율적인 예측을 위해 기계 학습 지원 스크리닝을 사용하여 밀도범함수이론 패키지로 high-throughput 계산을 수행합니다. 그럼에도 불구하고 다양한 복합계의 상관효과 현상을 예측하는데 한계가 있습니다. 기존 코드의 한계를 극복하기 위해 동적평균장 이론과 비평형 그린함수 방법을 사용하는 차세대 소프트웨어 도구도 개발합니다.
우리는 탄소 및 관련 재료들을 합성하고, 그 물질의 화학적, 물리적 특성들에 대하여 탐구하고 있습니다. 특히, 동역학 및 열역학적 접근 방법을 토대로 합성의 반응 경로에 대한 이해를 목표로 하고 있습니다. 최근 컴퓨터 계산을 이용하여 새로운 화학에 대한 유망한 방향을 탐색하고 탐구하는 것에 대해 관심이 깊어지고 있습니다. 일반적으로는 재료화학, 유기화학, 무기화학, 전기화학과 물리화학 모든 방면으로 연구를 진행하고 있습니다. 특별히 자체 제작한 장비를 사용하여 우리가 고안한 실험적 합성 방법을 구현합니다. 우리의 장비를 이용하여 만들어진 합성체의 예로, 일정한 패턴을 가지고 있는 다공성 탄소, 이차원 공유결합성 유기 골격 구조체 및 금속-유기 골격 구조체, 그래핀 및 육방질화붕소와 다양한 작용기를 사용하여 기능화 시킨 그래핀과 육방질화붕소, 초박막 다이아몬드, 특이한 화학 조성을 갖는 고분자들, 다이아몬드형의 구조체 등을 연구합니다. 또한, 우리는 흑연 및 다이아몬드와 같은 기존의 재료에 대한 새로운 합성 접근 방법을 발견하려고 합니다. 특히 이들을 새로운 방식으로 성장시키거나 이전에 보고되지 않은 흑연 및 다이아몬드의 대형 단결정 형성에 집중하고 있습니다.
오현철 교수 연구실에서는 다공성 물질에서의 극저온 물리흡착현상을 연구하고 있습니다. 이를 기반으로 하는 에너지 캐리어 저장(수소, 메탄 등), 온실가스 포집(CO2), 양자 효과가 적용된 동위원소(H2/D2/T2, O16/O18, He3/He4 등) 분리, 극저온 수소 자연 기화(boil-off) 저감 기술 등의 연구를 수행 합니다. 특히 효율적인 수소저장기술은 향후 탄소중립달성을 위한 수소경제의 핵심 기술이 될 수 있으나 해결해야 하는 기술적 난제도 많이 남아 있어 이를 해결하고자 하는 것이 주요 연구 방향입니다. 또한, 다공성 물질을 이용한 동위원소 분리 기술은 기존 고가의 극저온증류법을 대체할만한 신기술로 각광받고는 있으며, 관련 분야를 세계적으로 선도하고 있습니다. 특히 반도체 및 디스플레이 분야에서 중수소의 수요가 급격히 늘고 있고, 원전 해체 및 방사성 오염수의 삼중수소 처리 문제, 핵융합 원료(D2&T2)의 효율적 분리 기술에 대한 요구가 산업 분야별로 증가하고 있는 상황에서 이러한 동위원소 분리 신기술은 향후 많은 관심을 받을 것입니다.
Grzybowski 그룹은 인공 지능과 네트워크 이론을 합성 화학에 응용하는 연구를 개척하고 있습니다. 천연물을 포함한 복잡한 분자의 컴퓨터화된 역합성을 위한 Chematica/Synthia 플랫폼 구축(Nature 2020) 및 새로운 합성 방법론과 새로운 기능 분자를 발견하기위한 Allchemy 소프트웨어 개발(Science 2020, Nature 2022) 등의 성과를 이루어냈습니다.
현재 Grzybowski 그룹은 새로운 촉매 및 합성법에 대한 컴퓨터 기반 개발 및 화학 AI 를 활용한 실험 제어 및 최적화 시스템 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 단일 용기에서 다단계 합성을 수행하는 것과 같은 “스마트” 시스템 개발에도 매우 적극적입니다. (Nature 2020b, Nature 2022c).
분자화학과 나노기술을 아우르는 연구로 선택적 촉매 개발(JACS 2021) 및 선택적인 암 세포 치료제 개발(Nature Nanotech 2020) 등이 이루어지고 있습니다. Grzybowski 그룹은 화학자, 물리학자, 생물학자가 함께 연구하며 패러다임 교체 및 사회적 요구에 대한 과학자들의 임무 완수를 목표로 정진하고 있습니다. 과학에 열정이 있고 화학을 진정한 첨단기술로 Grzybowski 그룹에 참여하세요.
김봉수 교수 연구실에서는 광전자 소자용 공액(pi-conjugated) 고분자 및 저분자 유기반도체 소재를 설계하고 합성하며 고순도화 및 고분자 분자량 최적화 연구를 진행하고 있다. 유기반도체 소재는 유기태양전지, 유무기 하이브리드 태양전지, 유기트랜지스터, 유기광다이오드, 유기열전소자, 유기광발광소자, 양자점발광소자 등의 구동을 위한 필수적인 구성 성분이다. 새로운 공액 화학구조를 개발하고 작용기의 도입 및 적절한 용해도를 확보하며, 박막 상태에서의 유기반도체 화합물의 에너지준위, 밴드갭, 전하이동도, 결정성, 모폴로지 등의 특성 제어하고 있다. 더불어, 다양한 광학적, 전기적 특성을 연구하여 각 소재의 해당 전자소자의 성능을 높이고 수명을 향상시키는 연구를 진행해 나가고 있다.
