【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=계명대학교(총장 신일희) 기계공학과 김익현 교수 연구팀이 University of Oxford 공학부 토비아스 헤르만(Tobias Hermann) 교수와의 국제공동연구를 통해 극한 유동환경에서 루테늄 산화물(RuO₂) 나노입자의 구조 안정성과 기능 유지 특성을 규명했다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제저명학술지 Ceramics International(JCR 상위 7.4%, Q1)에 게재됐다.

▲ 왼쪽부터 수렌다 연구원(1저자), 토비아스 헤르만 교수(공동저자), 김익현 교수(교신저자)  © 계명대

논문 제목은 “Evaluating the Dynamic Integrity of Ruthenium Oxide Nanoparticles using Shock Tube: An Integrated Experimental and DFT Study”로, 고온·고압·충격이 반복되는 극한환경에서 센서 및 전자소자 소재로 활용되는 RuO₂의 회복 안정성을 실험·이론 통합 방식으로 분석했다.

산화루테늄(RuO₂)은 높은 전기전도성과 열적 안정성을 갖춘 기능성 세라믹 소재다. 극초음속·항공우주 분야에서는 순간적인 압력 변동이 발생하는 충격파 환경에서 소재의 구조적·기능적 무결성 유지 여부가 핵심 성능 지표로 평가된다.

연구팀은 충격파관 실험을 통해 RuO₂ 나노입자에 반복 충격을 가한 뒤, X선 회절 분석(XRD)과 주사전자현미경(SEM)으로 결정 구조와 형상 변화를 확인했다. 이어 푸리에 변환 적외선 분광(FTIR)과 X선 광전자 분광(XPS) 분석을 통해 분자결합 및 산화상태 변화를 정밀 검증했다.

광촉매 성능 평가는 오염 지표 물질인 메틸렌블루(Methylene Blue) 분해 반응을 적용해 태양광 조건에서의 분해 효율 변화를 비교하는 방식으로 수행됐다. 그 결과 반복 충격파 하중 이후에도 촉매 기능이 유의미하게 저하되지 않는 것으로 나타났다.

이론적 분석에는 밀도범함수 이론(DFT)이 활용됐다. RuO₂가 루틸형 결정구조에서 안정적으로 존재함을 확인하고, 에너지–부피 곡선과 버치–머너핸(Birch–Murnaghan) 상태방정식을 통해 평형 격자상수와 평형부피를 도출했다. 계산값은 XRD 실험 결과와 근접한 값을 보였다.

전자구조 분석 결과, RuO₂는 페르미 준위 인근에서 가전자대와 전도대가 중첩되는 금속적 거동을 나타냈다. 이는 극한환경에서도 전기적·촉매적 기능을 유지할 수 있는 물리적 기반을 전자구조 차원에서 설명한 결과다.

또한 흡수계수, 유전함수, 에너지 손실함수, 광전도도, 반사도, 굴절률 등 광학 물성도 함께 분석했다. 자외선 영역에서의 높은 흡수 특성과 특정 에너지 구간에서 나타나는 플라즈몬 공명 기반 에너지 손실 피크를 정량적으로 제시해, 광검출기·포토닉 소자 및 극한환경 응용 가능성을 뒷받침하는 기초 데이터를 확보했다.

김익현 교수는 “반복 충격파 조건에서도 RuO₂ 나노입자의 결정 구조, 화학적 산화상태, 광촉매 기능이 안정적으로 유지됨을 실험과 DFT 분석을 통해 확인했다”며 “극초음속·항공우주 분야에서 요구되는 촉매·센서용 기능성 나노소재의 선별 및 내구성 평가 체계를 고도화하는 데 중요한 기술적 근거가 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 계명대학교 충격파및기체역학 실험실 수렌다(Surendhar) 박사 연구원이 제1저자로, 김익현 교수가 연구책임자로 참여했다. 연구는 한국연구재단 글로벌매칭형(영국) 사업과 우수신진연구 사업, The Royal Society의 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

Keimyung University and University of Oxford Joint Research... Investigates the Stability of RuO₂ Nanoparticles in Extreme Environments

Professor Kim Ik-hyun's research team from the Department of Mechanical Engineering at Keimyung University (President Shin Il-hee) conducted an international joint study with Professor Tobias Hermann from the Department of Engineering at the University of Oxford. The research revealed the structural stability and functional retention characteristics of ruthenium oxide (RuO₂) nanoparticles in extreme fluid environments. The results were published in Ceramics International (JCR Top 7.4%, Q1), a leading international journal in materials science.

The paper, titled "Evaluating the Dynamic Integrity of Ruthenium Oxide Nanoparticles using Shock Tube: An Integrated Experimental and DFT Study," analyzed the recovery stability of RuO₂, a sensor and electronic device material, in extreme environments characterized by repeated high temperatures, high pressures, and shocks, using an integrated experimental and theoretical approach.

Ruthenium oxide (RuO₂) is a functional ceramic material with high electrical conductivity and thermal stability. In the hypersonic and aerospace fields, maintaining the structural and functional integrity of a material in a shock wave environment, where instantaneous pressure fluctuations occur, is a key performance indicator.

The research team repeatedly subjected RuO₂ nanoparticles to shock wave tube experiments. They then analyzed X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to confirm changes in crystal structure and morphology. Fourier transform infrared (FTIR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses were then used to precisely verify changes in molecular bonding and oxidation state.

Photocatalytic performance was evaluated by comparing the degradation efficiency of methylene blue, a pollutant indicator, under sunlight. Results showed no significant degradation in catalytic function even after repeated shock wave loading.

Density functional theory (DFT) was used for theoretical analysis. We confirmed that RuO₂ exists stably in a rutile crystal structure, and derived the equilibrium lattice constant and equilibrium volume using energy–volume curves and the Birch–Murnaghan equation of state. The calculated values ​​closely matched the XRD experimental results.

Electronic structure analysis revealed that RuO₂ exhibited metallic behavior, with the valence and conduction bands overlapping near the Fermi level. This provides a physical basis for maintaining electrical and catalytic functions even under extreme environments, based on the electronic structure.

We also analyzed optical properties, including absorption coefficient, dielectric function, energy loss function, photoconductivity, reflectivity, and refractive index. By quantitatively demonstrating high absorption in the UV range and plasmon resonance-based energy loss peaks in specific energy ranges, we secured fundamental data supporting the potential of photodetectors, photonic devices, and applications in extreme environments.

Professor Kim Ik-hyun stated, "Through experiments and DFT analysis, we confirmed that the crystal structure, chemical oxidation state, and photocatalytic function of RuO₂ nanoparticles remain stable even under repeated shock wave conditions." He added, "This will serve as an important technological foundation for advancing the selection and durability evaluation system for functional nanomaterials for catalysts and sensors required in hypersonic and aerospace applications."

This research was led by Dr. Surendhar of the Shock Wave and Aerodynamics Laboratory at Keimyung University, with Professor Kim Ik-hyun serving as the principal investigator. The research was supported by the National Research Foundation of Korea's Global Matching (UK) program, the Excellent Young Researcher Program, and the Royal Society.