국내 연구진이 고온·고압의 조건이 아닌 일상 생활수준의 대기압에서 다이아몬드를 합성하는데 세계 최초로 성공했다.
기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 연구단장 연구팀은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체금속 합금을 이용해 대기압(1기압)에서 다이아몬드를 합성하는데 성공했다고 25일 밝혔다.
다이아몬드는 우수한 열 전도성과 단단함 및 내화학성을 갖는 탄소물질로 전자기기의 열 전도체, 반도체의 온도 상승을 방지하는 방열 장치 등 활용도가 매우 높다. 하지만 이런 다이아몬드를 합성하기란 상당히 까다롭다.
대부분의 다이아몬드는 섭씨 1300~1600℃에 육박하는 고온과 표준 대기압(1기압)의 5~6만배에 달하는 고압 조건에서만 합성되기 때문이다. 또 고온·고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀의 크기 제한 때문에 합성 가능한 다이아몬드의 크기는 약 1세제곱센티미터로 제한된다.
IBS 연구팀은 이러한 패러다임을 깨고 1025℃ 및 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 최초로 합성했다.
우선 연구팀은 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체금속 합금을 만드는 장치 'RSR-S'를 자체 제작해 3시간이 걸리는 기존 장치와 달리 15분만에 모든 실험 준비를 완료할 수 있게 했다. 그리고 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들었다.
이후 하부 표면에서 다이아몬드 구성물질인 탄소가 확산되는 것을 확인했다. 또 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석한 결과 다이아몬드 내 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조를 발견했다.
공동 교신저자 성원경 연구위원은 "이번 연구결과를 바탕으로 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다"며 "액체금속 합금의 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험조건에서 다이아몬드를 합성할 길을 열 것"이라고 말했다.
연구를 이끈 로드니 루오프 연구단장은 "반도체, 기계산업과 같은 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다"며 "한국이 앞으로 빠르게 응용 분야를 확장해 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
이번 연구결과는 '네이처'(Nature)에 게재됐다.
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