계명대 김익현 교수팀, 옥스퍼드대와 공동연구로 극한환경용 나노소재 안정성 규명

계명대학교 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 영국 옥스퍼드 대학교 공학부 토비아스 헤르만(Tobias Hermann) 교수와의 국제공동연구를 통해 극한환경에서의 루테늄 산화물(RuO₂) 나노입자 구조 안정성과 기능 유지 특성을 규명했다. 이번 연구 성과는 국제저명학술지 ‘세라믹스 인터내셔널(Ceramics International)’에 게재되며 학술적 가치를 인정받았다.

발표된 논문은 ‘충격파관을 이용한 산화루테늄 나노입자의 동적 무결성 평가: 실험 및 DFT 통합 연구’라는 제목으로, 고온·고압·충격이 발생하는 극한의 유동 환경에서 RuO₂ 소재의 회복 안정성을 다뤘다. 연구팀은 특히 극초음속 비행체나 항공우주 장비의 센서 및 전자소자로 활용되는 이 소재가 반복적인 충격파 노출 이후에도 본연의 특성을 유지하는지를 집중적으로 검증했다.

산화루테늄은 높은 전기전도성과 우수한 열적 안정성을 지닌 세라믹 소재로, 극한 환경에서의 구조적 무결성이 핵심 성능 지표로 꼽힌다. 연구팀은 충격파관 실험을 통해 나노입자에 반복 충격을 가한 뒤 X선 회절 분석(XRD)과 주사전자현미경(SEM) 등을 활용해 결정 구조와 형상의 변화를 정밀 분석했다. 또한 광보조 분해 성능 테스트를 통해 실제 촉매 기능 유지 여부까지 통합적으로 확인했다.

이론적 해석을 위해서는 밀도범함수 이론(DFT)이 도입됐다. 연구팀은 DFT를 통해 RuO₂가 루틸형 결정구조에서 안정적으로 존재함을 확인했으며, 계산된 물리적 지표들이 실험값과 매우 근접하다는 점을 입증했다. 특히 전자구조 분석을 통해 이 소재가 극한의 환경에서도 전기적·촉매적 기능을 유지할 수 있는 물리적 기반을 이론적으로 설명해냈다.

김익현 교수는 “반복적인 충격파 하중에서도 RuO₂ 나노입자의 결정 구조와 화학적 산화상태, 광촉매 기능이 유의미하게 저하되지 않음을 실험과 이론 분석으로 확인했다”며 “이번 연구는 항공우주 분야에서 요구되는 기능성 나노소재의 내구성 평가 체계를 고도화하는 데 중요한 기술적 근거가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 계명대 수렌다 박사 연구원이 제1저자, 김익현 교수가 연구책임자로 참여했으며, 한국연구재단과 영국왕립학회의 지원을 받아 수행되었다.