세라믹 소재 분야 국제학술지 Ceramics International(JCR 상위 7.4%)논문 게재

극한 유동환경에서 성능 유지하는 산화루테늄 나노입자의 동적 내구성 규명

충격파및기체역학 실험실 김익현 교수 연구팀은 영국 University of Oxford, Engineering Science 소속 Tobias Hermann 교수와의 국제공동연구를 통해, 산화루테늄(RuO₂) 나노입자가 반복적인 충격파(Shock wave) 유동에서도 구조적·화학적 안정성과 광촉매 기능을 유지함을 충격파 관 실험과 밀도범함수이론(Densitiy functional theory, 이하 DFT) 계산을 접목하여 검증하였다. 이번 성과는 Ceramics International에 게재된 "Evaluating the Dynamic Integrity of Ruthenium Oxide Nanoparticles using Shock Tube: An Integrated Experimental and DFT Study" 논문을 통해 발표됐다.

우주·항공·국방 등 극한환경 분야에서는 순간적으로 높은 압력 변화가 발생하는 충격파 유동 조건에서 소재가 구조와 기능을 얼마나 안정적으로 유지하는지가 핵심 성능 지표로 꼽힌다. 연구팀은 그동안 데이터가 제한적이었던 ‘반복 충격파 노출 후 회복(Recovery) 안정성’에 주목해, RuO₂ 나노입자의 구조·형상·분자결합·표면화학·촉매 성능을 통합적으로 검증했다. 

연구팀은 RuO₂ 나노입자를 대조군, 200회 충격, 400회 충격 조건으로 나누어 충격파 관 실험을 통해 반복 충격을 가한 뒤, XRD 및 SEM 등으로 구조·형상 변화를 확인하고, FTIR·XPS 분석으로 분자결합 및 산화상태 변화를 점검했다. 또한 오염 지표 물질로 널리 사용되는 메틸렌블루(MB) 분해 반응을 활용해, 태양광 조건에서의 광보조 분해(photodegradation) 성능이 유지되는지를 비교했다. RuO₂가 루틸형(tetragonal, P4₂/mnm) 결정구조에서 안정하게 존재한다는 점을 DFT로 확인하고, 부피 최적화(에너지–부피 곡선)와 상태방정식(Birch–Murnaghan 방정식)을 통해 평형 격자상수 및 평형부피를 도출했다. 이론적으로 얻어진 격자상수(a=b, c)와 부피는 XRD 기반 실험값과 근접하게 나타내었다.

이번 연구의 DFT 결과에서 가장 중요한 대목은 밴드 구조와 상태밀도(DOS) 분석이다. 계산 결과, RuO₂는 페르미 준위 근처에서 가전자대와 전도대가 겹치는 금속적 거동을 보였다. 특히 페르미 준위 부근에서 Ru 4d 기여가 지배적이며, 이는 높은 전기전도 가능성과의 연관성을 시사한다. RuO₂가 극한 환경에서도 기능성(전기적·촉매적 역할)을 유지할 수 있는 물리적 기반을 전자구조 차원에서 설명한 셈이다. 연구진은 전자구조뿐 아니라, DFT로 흡수계수, 유전함수, 에너지 손실함수, 광전도도, 반사도, 굴절률 등 광학 물성을 폭넓게 분석하였다. 계산 결과는 자외선 영역에서의 높은 흡수, 특정 에너지에서의 플라즈몬 공명으로 해석되는 에너지 손실 피크 등, RuO₂의 광응답 특성을 정량적으로 제시하였다. 이러한 광학 물성 계산은 단순한 “값 제시”를 넘어, RuO₂가 향후 광검출·포토닉 소자·극한환경 등 응용으로 확장될 수 있는 물성 기반을 제공한다는 점에서 의미가 크다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.02.116

관련기사 링크: https://www.kbmaeil.com/article/20260305500081​