대기압에서 다이아몬드 만들었다... 국내 연구진 세계 첫 성공

IBS 다차원 탄소재료 연구단 발표
1기압·1025도서 다이아몬드 합성
기존 '고온·고압' 패러다임 깬 결과
"크고 쉽게 생산... 산업 접목 기대“

다양한 조건에서 성장한 액체 금속 합금 속 다이아몬드들을 현미경으로 본 모습. IBS 제공

국내 연구진이 대기압에서 다이아몬드를 합성할 수 있는 방법을 세계 최초로 찾아냈다. 표준대기압의 5만~6만 배 이상의 고압에서만 다이아몬드를 합성할 수 있다는 기존 패러다임을 깨는 결과다. 앞으로 다이아몬드를 더 크고 쉽게 합성하는 길이 열릴 것이라는 기대가 나온다.

25일 기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 단장이 이끄는 다차원 탄소재료 연구단이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압과 1,025도 온도 조건에서 다이아몬드를 합성해 냈다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 저명 국제학술지 '네이처'에 게재됐다.

RSR-S 장치를 통해 만들어진 다이아몬드 결정의 모습. 검은색 액체 금속 합금 위에 다이아몬드 결정이 반짝이고 있다. 울산=오지혜 기자

탄소로 구성된 다이아몬드는 단단하고 열 전도성이 좋은 데다 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도가 우수해 전자기기 속 반도체나 열전도체의 방열장치 등으로 활용도가 매우 높다. 하지만 1,300~1,600도의 고온과 표준대기압의 5만~6만 배에 달하는 고압에서만 합성된다는 한계가 있었다. 또 합성 가능한 크기도 1㎤로 제한된다.

연구진은 빠르게 가열과 냉각이 가능한 'RSR-S'라는 자체 장비를 이용해 갈륨 77.75%, 니켈 11%, 철 11%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들었다. 여기에 탄소가 들어 있는 메탄가스를 주입했고, 다이아몬드의 구성 물질인 탄소가 액체 금속의 하부로 확산되는 것을 확인했다. 연구진은 앞으로 액체 금속 합금의 구성을 바꿔보는 방법을 찾아, 더욱 다양하게 다이아몬드를 합성해 내겠다는 계획이다.

RSR-S 장치 안에서 액체 금속 물질을 가열하는 도가니가 빨갛게 달아올라 있다. 울산=오지혜 기자

루오프 단장은 "반도체, 기계 산업 등 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다"며 "한국이 앞으로 빠르게 응용 분야를 확장해, 관련 산업을 선도할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

아울러 연구진은 물질에 빛을 쏴 방출되는 파장빛을 분석해, 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러센터' 구조도 발견했다. 이는 액체 금속 합금 속 실리콘이 다이아몬드 결정 사이에 끼어든 구조를 뜻하는데, 양자 현상을 띠고 자기 민감도가 높은 것으로 분석됐다. 연구진은 "나노미터(10억 분의 1m) 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨터 분야로 응용이 기대된다"고 설명했다.

다이아몬드 합성에 활용된 RSR-S 장치. 울산=오지혜 기자

울산= 오지혜 기자 5g@hankookilbo.com