산화루테늄(RuO₂)은 높은 전기전도성과 우수한 열적 안정성을 지닌 기능성 세라믹 소재다. 극초음속·항공우주 분야에서는 순간적으로 큰 압력 변동이 발생하는 충격파 환경에서 소재가 구조적·기능적 특성을 유지하는지가 핵심 성능 지표로 꼽힌다. 연구팀은 그동안 데이터가 제한적이었던 ‘반복 충격파 노출 후 회복 안정성’을 정밀 분석해 구조, 형상, 분자결합, 표면화학, 촉매 성능을 통합적으로 검증했다.

  연구팀은 RuO₂ 나노입자에 충격파관 실험을 통해 반복 충격을 가한 뒤, X선 회절 분석(XRD)과 주사전자현미경 분석(SEM)으로 결정 구조와 형상 변화를 확인했다. 푸리에 변환 적외선 분광 분석(FTIR)과 X선 광전자 분광 분석(XPS)으로 분자결합과 산화상태 변화를 검증했다. 오염 지표 물질로 활용되는 메틸렌블루(Methylene Blue) 분해 반응을 적용해 태양광 조건에서의 광보조 분해 성능 유지 여부도 비교했다.
 

  이론적 해석은 밀도범함수 이론(DFT)을 활용했다. RuO₂가 루틸형 결정구조에서 안정적으로 존재함을 확인하고, 에너지-부피 곡선과 버치-머너핸(Birch-Murnaghan) 상태방정식을 통해 평형 격자상수와 평형부피를 도출했다. 계산값은 XRD 기반 실험값과 근접하게 나타났다.
 

  DFT 기반 전자구조 분석 결과, RuO₂는 페르미 준위 부근에서 가전자대와 전도대가 겹치는 금속적 거동을 보였다. 이는 극한환경에서도 전기적·촉매적 기능을 유지할 수 있는 물리적 기반을 전자구조 차원에서 설명한 결과다. 연구팀은 흡수계수, 유전함수, 에너지 손실함수, 광전도도, 반사도, 굴절률 등 광학 물성도 함께 분석했다. 자외선 영역에서 높은 흡수 특성과 특정 에너지 구간에서의 플라즈몬 공명으로 해석되는 에너지 손실 피크를 정량적으로 제시했다. RuO₂의 광검출·포토닉 소자·극한환경 응용 가능성을 뒷받침하는 물성 데이터라는 점에서 의미가 있다.
 

  김익현 교수는 “반복적인 충격파 하중에서도 RuO₂ 나노입자의 결정 구조와 화학적 산화상태, 광촉매 기능이 유의미하게 저하되지 않음을 실험과 밀도범함수 이론 분석을 통해 확인했다”며 “이번 연구는 극초음속·항공우주 분야에서 요구되는 촉매·센서용 기능성 나노소재의 선별과 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. 토비아스 헤르만 교수는 공동저자로 함께했다. 연구는 한국연구재단 글로벌매칭형(영국)사업, 우수신진연구 사업과 영국왕립학회(The Royal Society)의 지원을 받아 수행됐다.