21세기 인류의 궁극적인 에너지원이 될 핵융합에 관한 연구와 신소재 및 환경산업 분야의 한계 기술에 일대 혁신을 가져온 플라즈마 응용공학을 비롯해서 기초 및 응용분야에 파급효과가 매우 큰 가속기 및 입자빔/레이저 등을 연구하는 양자공학분야로 나눌 수 있다. 핵융합 분야에서는 장시간 핵융합 반응을 안정적으로 유지하는 것을 목표로 초고온 플라즈마의 형성과 제어 및 운전 시나리오 확립을 위하여 선진 이론과 모델링을 통한 연구들을 수행하고 있으며, KSTAR, ITER 등 국내외 핵융합 연구팀들과의 다양한 공동 연구를 통해 첨단 연구를 수행하고 있다. 이와 더불어 국내 유일의 구형 토카막 핵융합 실험 장치인 VEST를 보유하고 운영함으로써 핵융합 인력 양성을 선도하고 있다. 또한 플라즈마 응용 공학 분야에서는 신소재와 환경 산업에서의 한계를 극복하기 위해 반도체 디스플레이 제조 장비 산업의 근간이 되는 공정 플라즈마 소스 및 운영 기술 개발, 환경 산업용 플라즈마, 기초 플라즈마 물리 연구와, 열 플라즈마 이용 기술 개발 등을 수행하고 있다. 양자공학 분야에서는 X-ray 및 중성자 발생 시스템 개발, 레이저 시스템 설계 및 진단, 다목적 이온원 개발 등의 연구를 수행하고 있다.

방사선의 발생과 이용, 방사선/방사능 계측, 방사선 생물학 및 방사선 방호 등 전리 방사선을 다루는 영역 전반에 걸쳐, 방사선 검출 물질 연구나 생물학적 영향 평가와 같은 기초 연구에서부터, 방사선 영상 처리 및 시각화 알고리즘 개발과 같은 소프트웨어 연구를 넘어, 방사선 발생 및 응용 기기 구축과 같은 하드웨어 연구에 이르기까지, 다양한 스펙트럼의 연구 분야들과 주제들에 대한 교육 및 논의를 진행하고 있으며, 나날이 응용 범위가 확대되고 있는 방사선 이용 기술의 개발과 타 학제와의 융복합 연구들을 수행하고 있는 분야이다. 산업용 및 의료용 가속기, 비파괴 검사장치, 의료용 진단 및 치료기기에 대한 수요가 나날이 증가함에 따라 방사선 응용 기술의 규모가 크게 성장하고 있으며, 라돈 및 삼중수소 등의 사회 현안의 대두와 함께 방사선/방사능에 대한 일반인들의 관심도 급증하고 있는 추세이다. 최근 북핵 활동 및 각종 테러 활동 증가에 수반되는 국제 정세의 요구에 따라, 테러 대응과 자국의 안보를 위한 보안검색 분야 또한 전세계적인 관심을 받고 있다. 이러한 수요에 발맞추어, 양자빔을 이용한 방사선의 방사선의 발생, 방사선/방사능에 대한 측정 및 분석, 다양한 전리 방사선에 대한 검출 및 측정을 수행할 수 있는 방사선 검출기의 개발과 활용, 방사선에 의한 환경 및 인체의 영향을 평가하고, 방사선에 대한 방호를 최적화할 수 있는 방안들을 연구함으로써, 의료 영상 및 치료 분야를 넘어 국토 보안, 핵물질 탐색, 핵비확산 등의 안보 분야와 비파괴 검사 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 핵심적인 기반 기술로써의 방사선공학 연구를 수행하고 있다.