계명대-옥스퍼드대, 극한환경 견디는 루테늄 나노입자 구조 규명

반복 충격파에도 구조·광촉매 기능 변함 없어
실험·시뮬레이션 동시에 진행해 안정성 검증
항공우주·극초음속 환경용 나노소재 응용 기대

계명대-옥스퍼드대 공동연구팀이 극한환경에서도 구조와 기능을 유지하는 루테늄 산화물 나노입자의 안정성을 규명했다. 왼쪽부터 수렌다(Surendhar, 인도) 연구원(1저자), Tobias Hermann 교수(공동저자), 김익현 교수(교신저자). 계명대 제공 

계명대학교 김익현 교수 연구팀이 영국 옥스퍼드대 토비아스 헤르만 교수팀과 함께 극한환경에서도 구조와 기능을 유지하는 루테늄 산화물(RuO₂) 나노입자의 안정성을 규명했다. 

연구결과는 국제학술지 Ceramics International(JCR 상위 7.4%, Q1)에 게재됐다.

이번 논문 ‘Evaluating the Dynamic Integrity of Ruthenium Oxide Nanoparticles using Shock Tube: An Integrated Experimental and DFT Study’는 고온·고압·충격 등 극한유동환경에서 전자소자나 센서로 활용되는 RuO₂가 반복적인 충격파에 노출된 뒤 얼마나 원래 구조를 회복하고 기능을 유지하는지 집중적으로 다뤘다.

RuO₂는 전기전도성과 열적 안정성이 뛰어난 세라믹 소재로, 극초음속이나 항공우주 환경처럼 순간적인 압력 변화가 큰 조건에서 성능을 유지해야 한다. 

연구팀은 충격파관 실험과 X선 회절(XRD), 주사전자현미경(SEM), 적외선 분광(FTIR), X선 광전자분광(XPS) 분석을 통해 충격 후 결정구조, 분자결합, 산화상태 변화를 면밀히 검증했다.

또한 메틸렌블루 분해 반응을 통해 태양광 조건에서의 광촉매 성능이 반복 충격 후에도 유지된다는 점을 확인했다. 

이론적 해석에는 밀도범함수이론(DFT)을 활용해, RuO₂가 루틸형 구조에서 안정적으로 존재하며 실험값과 근접한 평형 격자상수를 갖는다는 점을 수치적으로 입증했다.

DFT 기반 전자구조 분석에서는 RuO₂가 금속적 특성을 보여, 극한환경에서도 전기적·촉매적 기능을 안정적으로 유지할 수 있음을 밝혔다. 

이어 광학 물성 분석을 통해 자외선 영역에서 높은 흡수율과 특정 에너지 구간에서의 플라즈몬 공명 특성도 확인했다. 이는 향후 광검출, 포토닉, 항공우주용 센서 개발에 응용할 수 있는 기초 데이터로 평가된다.

김익현 교수는 “반복적인 충격파 하중에서도 RuO₂ 나노입자의 구조적·화학적 안정성과 광촉매 성능이 유지됨을 실험과 계산을 통해 입증했다”며 “극한환경용 기능성 나노소재의 내구성 평가 체계를 고도화하는 데 기여할 기술적 근거가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 계명대 충격파및기체역학 실험실의 수렌다 박사가 제1저자로, 김익현 교수가 연구책임자로 참여했다. 

옥스퍼드대 토비아스 헤르만 교수가 공동저자로 함께했으며, 연구는 한국연구재단 글로벌매칭형(영국)사업과 우수신진연구사업, 영국왕립학회의 지원으로 수행됐다.
최태욱 기자 tasigi72@kukinews.com