계명대 김익현 교수 연구팀, 옥스퍼드대와 공동연구 성과

극한환경에서도 RuO₂ 나노입자 구조·기능 안정성 확인

(왼쪽부터) 수렌다 연구원(1저자), 토비아스 헤르만 교수(공동저자), 김익현 교수(교신저자)./계명대 제공

계명대학교 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 영국 옥스퍼드대학교 공학부 토비아스 헤르만(Tobias Hermann) 교수와의 국제공동연구를 통해 극한환경에서 루테늄 산화물(RuO₂) 나노입자의 구조 안정성과 기능 유지 특성을 규명했다. 

연구 성과는 국제학술지 ‘Ceramics International’(JCR 상위 7.4%, Q1)에 게재됐다. 연구 논문은 ‘Evaluating the Dynamic Integrity of Ruthenium Oxide Nanoparticles using Shock Tube: An Integrated Experimental and DFT Study’라는 제목으로 발표됐다. 

연구는 고온·고압·충격이 반복되는 극한 유동 환경에서 센서 및 전자소자로 활용되는 RuO₂ 소재의 안정성을 실험과 이론 분석을 통해 종합적으로 검증하는 데 초점을 맞췄다.

산화루테늄(RuO₂)은 높은 전기전도성과 우수한 열적 안정성을 지닌 기능성 세라믹 소재로, 극초음속 및 항공우주 분야에서 활용 가능성이 높은 물질이다. 특히 충격파가 반복적으로 발생하는 환경에서도 소재가 구조적·기능적 특성을 유지하는지가 핵심 성능 지표로 평가된다.

연구팀은 RuO₂ 나노입자에 충격파관을 이용해 반복적인 충격을 가한 뒤 다양한 분석을 수행했다. X선 회절 분석(XRD)과 주사전자현미경(SEM)을 통해 결정 구조와 입자 형상 변화를 확인했으며, 푸리에 변환 적외선 분광 분석(FTIR)과 X선 광전자 분광 분석(XPS)을 활용해 분자 결합과 산화 상태 변화를 검증했다.

또 오염 지표 물질인 메틸렌블루(Methylene Blue) 분해 반응을 적용해 태양광 조건에서의 광보조 분해 성능 유지 여부도 평가했다. 그 결과 반복적인 충격파 노출 이후에도 RuO₂ 나노입자의 구조적 안정성과 광촉매 성능이 유의미하게 유지되는 것으로 나타났다.

이와 함께 연구팀은 밀도범함수 이론(DFT)을 활용해 이론적 분석을 수행했다. 분석 결과 RuO₂는 루틸형 결정구조에서 안정적으로 존재하며, 에너지–부피 곡선과 버치-머너핸 상태방정식을 통해 도출된 평형 격자상수와 평형 부피는 실험 결과와 높은 일치도를 보였다.

전자구조 분석에서는 페르미 준위 부근에서 가전자대와 전도대가 겹치는 금속적 거동이 확인됐다. 이는 극한환경에서도 RuO₂가 전기적 및 촉매적 기능을 유지할 수 있는 물리적 기반을 설명하는 결과로 해석된다.

연구팀은 흡수계수, 유전함수, 에너지 손실함수, 광전도도, 반사도, 굴절률 등 광학 물성도 함께 분석했다. 자외선 영역에서의 높은 흡수 특성과 특정 에너지 구간에서 나타나는 플라즈몬 공명에 따른 에너지 손실 피크가 정량적으로 확인되면서, RuO₂가 광검출기와 포토닉 소자 등 극한환경 기반 응용 분야에서 활용될 가능성도 제시됐다.

김익현 교수는 “반복적인 충격파 하중에서도 RuO₂ 나노입자의 결정 구조와 화학적 산화 상태, 광촉매 기능이 유의미하게 저하되지 않음을 실험과 밀도범함수 이론 분석을 통해 확인했다”며 “이번 연구는 극초음속·항공우주 분야에서 요구되는 촉매 및 센서용 기능성 나노소재의 선별과 내구성 평가 체계를 고도화하는 데 중요한 기술적 근거가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 계명대학교 충격파및기체역학 실험실의 수렌다(Surendhar) 박사 연구원이 제1저자로 참여했으며, 김익현 교수가 연구 책임을 맡았다. 토비아스 헤르만 교수는 공동저자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 글로벌매칭형(영국) 사업과 우수신진연구 사업, 영국왕립학회(The Royal Society)의 지원을 받아 수행됐다.

/김락현기자 [e-mail]