김익현 교수 연구팀, 응용물리(Physics, Applied) 분야 국제 저명 학술지 Surfaces and Interfaces 논문 게재
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작성자 최고관리자 댓글 조회 작성일 26-04-13 12:47본문
국제학술지 Surfaces and Interfaces(JCR 상위 14.6%)논문 게재
"화학적 공정 없이 구현" 충격파 유동을 이용한 나노복합체의 결함 진화 메커니즘 규명
충격파및기체역학 실험실 김익현 교수 연구팀이 별도의 화학적 첨가나 복잡한 후처리 없이, 충격파 유동만으로 나노복합체의 구조와 전자적 특성을 조절해 광촉매 성능을 제어할 수 있는 가능성을 제시했다. 이번 연구는 기능성 소재의 성능 향상을 위해 일반적으로 활용되는 도핑, 첨가제 도입, 복합화 공정을 사용하지 않고, 순수한 물리적 공정인 충격파 유동 처리만으로 소재 특성을 변화시켰다는 점에서 주목된다. 해당 연구 성과는 Surfaces and Interfaces 저널에 게재된 “Shock-wave engineering of g-C3N4/B-TiO2 nanocomposites: Tailored structural, electronic and optical properties for photocatalytic wastewater remediation” 논문을 통해 발표됐다.
본 연구에 활용된 소재는 흑연과 유사한 층상 구조를 가진 탄소·질소 기반 소재인 그래파이트상 탄소나이트라이드와 이산화티타늄를 결합한 나노복합체이다. 해당 나노복합체는 빛을 활용해 오염물질을 분해할 수 있는 유망한 광촉매 소재로 평가되지만, 실제 응용 측면에서는 광여기 과정에서 생성된 전하가 충분히 분리되지 못하고 다시 결합하는 문제가 있었다. 이로 인해 반응 효율을 지속적으로 높이는 데에는 한계가 존재했다. 보통 이러한 약점을 보완하기 위해서는 금속 원소를 도입하거나, 화학적 첨가제를 사용하고, 표면을 별도로 개질하는 방식이 활용된다. 반면 이번 연구에서는 이러한 전통적인 화학 공정 대신, 반복적인 충격파 유동이라는 물리적 방법만으로 소재 내부의 결함 상태와 격자 배열을 조절하는 새로운 접근을 시도했다.
연구 결과, 충격파 처리는 소재의 결정 구조 자체를 크게 무너뜨리지 않으면서도 결함 밀도, 결정성, 밴드갭, 전하 재결합 특성을 변화시키는 것으로 확인됐다. 특히 무처리 시료의 염료 분해 효율은 약 85%였고, 중간 수준의 충격파 처리에서는 일시적으로 71%까지 감소했지만, 충격파 유동 노출 횟수가 증가할수록 다시 83% 수준까지 회복되었다. 이는 화학적 첨가 없이도 충격파 유동만으로 소재 내부 구조를 재조정할 수 있으며, 그 결과 광촉매 성능 역시 능동적으로 제어할 수 있음을 보여준다. 이번 연구의 가장 큰 의의는 성능 개선을 위해 반드시 화학적 첨가가 필요하다는 기존 인식을 넘어섰다는 점이다. 즉, 새로운 원소를 넣거나 복잡한 합성 과정을 추가하지 않아도, 충격파 유동이라는 물리적 방법만으로 기능성 소재의 구조와 성능을 조절할 수 있음을 실증적으로 보여준 것이다. 이는 공정 단순화와 재현성 측면에서도 장점이 크며, 향후 친환경 촉매와 수처리 소재, 에너지 변환 소재 개발에도 새로운 방향을 제시할 수 있다.
이번 연구는 유체역학 기반의 충격파 제어 기술을 재료 및 환경 분야로 확장한 융합 연구라는 점에서 의미가 크다. 그동안 충격파 유동은 주로 극한 환경에서의 유동 거동이나 충격파 물리 현상을 해석하는 연구 대상으로 다루어져 왔다. 그러나 이번 연구에서는 이러한 충격파 유동을 단순한 분석 대상에 머무르지 않고, 기능성 소재의 구조와 성능을 제어하는 공정 기술로 활용했다는 점에서 차별성이 있다. 특히 별도의 화학적 첨가나 복잡한 후처리 없이도 소재의 결함 구조와 전자적 특성을 조절할 수 있다는 점은, 향후 친환경 공정 기반의 기능성 소재 개발에 새로운 가능성을 제시한다. 이는 공정 단순화와 재현성 확보 측면에서도 장점을 가지며, 환경·에너지 분야에서 요구되는 고효율 소재 개발에 직접적으로 활용될 수 있다.
본 연구는 충격파및기체역학 실험실의 Sivaprakash 박사 연구원이 제1저자로 참여하였고, 김익현 교수가 교신저자로서 연구 전반을 주도하며 수행되었다. 김익현 교수 연구팀은 앞으로도 별도의 화학적 공정 없이 구현 가능한 충격파 유동 기반 소재 제어 기술을 지속적으로 발전시키고, 이를 바탕으로 충격파 유동 기반 기술의 공학적 활용 가치를 더욱 확장해 나갈 계획이다.
관련논문 링크: doi.org/10.1016/j.surfin.2026.109267