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.
