다이아몬드 합성 패러다임 깼다···1기압서 생산 성공

by강민구 기자
2024.04.25 00:00:00

[이데일리 강민구 기자] 대부분의 다이아몬드가 고온고압 조건에서 생산된다는 패러다임이 깨졌다. 국내 연구기관 연구진이 우리 주변 기압(1기압)에서 다이아몬드를 합성시키는 방법이 처음 제시했기 때문이다.

로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장.(사진=IBS)

기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장 연구팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압에서 다이아몬드를 합성했다고 24일 밝혔다.

다이아몬드는 우수한 열 전도성과 단단함, 내화학성을 갖는 탄소 물질이다. 전자기기의 열 전도체, 반도체 온도 상승을 방지하는 방열 장치 등 활용도가 높다. 하지만 이런 다이아몬드를 합성하기 까다롭다. 대부분의 다이아몬드는 섭씨 1300도~1600도에 육박하는 고온과 표준 대기압(1기압)의 5만배~6만배에 달하는 고압 조건에서만 합성된다. 고온고압 조건을 유지하기 위해 합성 가능한 다이아몬드 크기도 약 1세제곱센티미터로 제한된다.

IBS 연구팀은 이를 극복해 1025도 온도와 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 합성했다. 연구팀은 빠르게 가열하거나 냉각할 수 있는 ‘RSR-S’이라는 장치를 제작해 3시간이 걸리는 기존 장치들과 달리 총 15분이면 모든 실험 준비 과정을 마치게 했다. 이 장치는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치로 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 최적의 온도, 압력, 액체 금속 합금 비율 조건을 찾기 위해 수백 개의 매개변수 조정에 사용됐다.



연구팀은 또 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들었다. 합금 아래 표면에서, 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 확산하는 것을 확인했다. 액체 금속 합금 하부에서 탄소 확산이 1025도의 온도와 1기압 압력에서 이뤄져 다이아몬드가 성장한다는 사실을 밝혔다.

이 밖에 ‘광 발광 분광법’이라는 실험을 통해 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석하고, 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조를 발견했다.

연구를 이끈 로드니 루오프 연구 단장은 “반도체, 기계 산업처럼 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다”라며 “한국이 빠르게 응용 분야를 확장해 관련 산업을 이끌 것이라고 기대한다”라고 말했다.

연구 결과는 25일 0시(한국시간)에 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 게재됐다.