수 많은 연구 분야에서 물리화학적인 성질은 미세조직과 직접적인 연관이 있기에, 물질 표면의 미세구조 및 화학적 조성 그리고 특정 표면구조로 인한 기계적 특성 등에 대한 면밀한 분석은 필수적이다. 전자현미경실은 마이크론 이하의 국부적인 영역에서 beam과 시료와의 상호반응으로 발생하는 여러 가지 신호를 이용하여 특정 부분에 대한 Texture, Morphology, Chemical Composition 등을 분석할 수 있다. 또한, 각종 재료와 박막 코팅에 대해 미소 압자를 활용하여 수십 ㎛ 크기 (혹은 두께) 재료의 기계적 물성을 측정할 수 있다.

FE-SEM/EDS는 Schottky 전계방사형 전자총을 사용하기에, 열전자방출형 전자총보다 수백~수천 배 정도의 높은 휘도 및 수 nm의 전자빔을 얻을 수 있으므로 고분해능의 측정이 가능하다. CCP는 LN2 사용으로 stage를 냉각하여 가공할 수 있는 Cooling 기능을 포함하였기에, Ar ion beam에 의해 발생할 수 있는 열에 의한 시료 손상을 방지할 수 있다.

FE-TEM은 투과된 beam을 통해 약 100만 배율까지의 고배율 영상(명시야상/암시야상)을 얻어 시편의 미세구조를 관찰할 수 있다. 또한, 회절된 beam으로 얻을 수 있는 회절도형으로 시료의 결정 관련 정보(격자상수, 결함 등)를 얻을 수 있다.

NANO-IND는 수직 하중(수 mN)을 부여하는 Indentation mode를 통해 미소 영역에 대한 기계적 특성(경도, 탄성계수 등)을 측정할 수 있다. 또한 특정 하중 및 속도로 시료를 긁는 Scratch Test mode로 소재 표면의 마모 특성 등을 분석할 수 있다.

열분석이란 어떤 물질의 물리적 성질을 온도함수로써 측정하는 방법을 말하며, 조절된 온도 프로그램으로 분석 진행한다. 대표적인 열분석기기로는 DSC, STA, DIL, TMA, LFA가 있다.

시차주사열량계(DSC)는 가장 널리 사용되는 열분석 기기이며 반응열, 유리전이온도, 녹는점, 결정화도, 비열 등을 분석하는데 사용된다.

열중량-열량 동시분석기(STA)는 열중량 분석기(TGA)와 DSC[DTA]가 결합되어있기에, 온도 변화에 따른 무게 변화와 화학적 물성 정보를 동시에 측정 가능하다. 주로 분해반응과 산화반응, 그리고 기화, 승화 및 탈착 등과 같은 물리적 변화에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한 다성분 시료의 조성 분석 및 분해과정을 알아내는 것이 중요한 응용분야인데, 이는 질량분석기(MS)를 장착한 STA-MS를 통해 도움을 얻을 수 있다.

온도 변화에 따라 물질은 팽창 또는 수축을 하게 되는데, 이러한 열기계적 성질을 측정하는 기계는 수평형 열팽창 분석장비(DIL)와 수직형 열팽창분석장비(TMA)가 있다. 두 기계 모두 방향만 다를 뿐 일정한 하중 하에 온도 변화를 부여하기에, 열팽창계수뿐만 아니라 Tg, Ts, 수축률 또한 측정 가능하다.

열전도도와 열확산도는 물질의 열전달 특성에 대한 가장 중요한 열물리적 매개변수이다. 열전도도 측정기(LFA)는 시료 한쪽 면에 빛을 조사했을 때 반대쪽 면의 온도 변화를 적외선 센서를 통해 측정하여 시료의 열확산도를 측정하는 장비이다.

X-선 회절의 강도와 진행 방향은 물질을 구성하는 원자의 종류와 배열 상태에 따라 달라진다. 해당 특징을 이용하여 결정질, 비결정질 재료의 상 분석 및 결정의 배향성에 대한 물질의 구조해석이 가능하며, 회절이 일어난 각도와 회절 강도를 통해 물질의 결정상태, 결정구조, 화학적 결합상태 등 물질의 미세한 구조를 알 수 있다.

X선회절분석실의 XRD 장비는 고출력 X-선 발생장치를 사용하여 미량 성분 분석이 가능하며, 고정밀 다축 회전 시료대 및 In-plane system을 포함하여 conventional XRD 뿐만 아니라 GID, Rocking curve, XRR 등 정밀한 박막 특성 분석에 용이하다. 이를 통해 정성(Phase identification), 정량(WPPF, Rietveld), Comprehensive analysis(Crystallite size&strain) 등 다양한 결과를 도출할 수 있다.

물질의 고유 특성과 밀접하게 관련되어 있는 화학적 구조에 대한 분석은 연구개발에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 대표적인 화학 구조 분석 장비로는 FT-IR과 Raman이 있다.
FT-IR은 물질에 적외선 영역의 빛을 조사시켜 발생되는 특정 파장에서의 광 흡광도 및 투과도를 측정하여 시료가 가지고 있는 적외선 영역에 대한 고유지문영역(Fingerprint region)을 기반으로 시료의 구조 분석을 하는 장비이다. Raman은 특정 단일 파장(Laser)을 시료에 조사하여 산란되는 빛의 파장 변화 및 분자의 진동 주파수를 분석하여 얻은 고유 raman 스펙트럼 정보를 이용해서 물질의 구조에 대한 정성 및 정량 분석하는 장비이다.

특정 세포에 대한 면밀한 분석은 분자생물학, 면역학, 병리학 등 수 많은 분야의 연구에 필수적이며, 흔히 flow cytometry로 진행한다. 해당 기술을 기반으로 분석하는 FACS-sorter는 유액상태의 세포에 특정 파장의 laser beam을 조사하여 수 많은 세포 중 하나의 세포가 갖는 다양한 특성(크기, complexity, 특정 파장에 대한 형광발광도 등)을 정성/정량 분석하고, 특정 형광에 반응하는 세포들만을 선택하여 분리(sorting)할 수 있는 장비이다.

물질의 화학적 성분과 함량은 그 물질의 고유 특성과 밀접하게 관련되어 있으므로, 물질의 특성을 규명하기 위해서는 화학적 성분 규명이 필수적이다.
원소분석실은 Graphite, Coal, 미네랄, 식품, 고분자, 유기물 등의 C, H, N, S 조성 분석이 가능하며, 환경 시료의 중금속 성분과 각종 무기 시료 성분을 파괴/비파괴 방법으로 극미량수준의(ppm) 정성, 정량분석 할 수 있다.

ICP-OES는 고온의 Ar 플라즈마에 의해 생성된 여기 상태의 원자나 이온이 방출하는 빛을 측정하여 특정 원소를 정성/정량 분석한다.
WD-XRF는 여기 상태 전자의 전이에 의해 발생된 형광 X선을 측정하여 B(5)~U(92) 원소를 측정한다.
EA는 샘플을 고온 화로에서 연소시킨 후 CO2, H2O, N2, SO2로 전환하여 C, H, N, S를 정량 분석한다.

TPD(Temperature Programmed Desorption)는 표면의 acidic/ basic site 분포 특성 분석 (산,염기 특성을 갖는 물질의 산도 및 염기도 분포와 세기 비교를 위해, 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 각각 활용하여 온도 승온시 탈착되는 피크 특성 관찰) 가능하다.

TPR(Temperature Programmed Reduction)은 촉매의 환원온도와 환성 특성 분석 (H2 가스하에서 온도 승온에 따른 촉매의 환원 온도 분포와 소모되는 H2 양으로부터 환원정도 관찰) 가능하다.