다이아몬드는 고경도, 내마모성, 낮은 마찰계수, 내 화학성 등 우수한 물성을 가져 산업계에서 다양하게 활용되며, 특히 열전도성이 좋아 반도체 소자 방열체로도 사용된다.
기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료연구단장팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체금속 합금으로 세계 최초 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.
지금까지 다이아몬드 생산방법은 5만 기압 이상과 1600℃의 고온 고압 조건에서만 가능했고, 압력셀 크기제한 때문에 합성 가능한 크기는 약 1㎤로 제한됐다.
반면 연구팀이 개발한 방법은 1025℃에서 1기압 조건에서 다이아몬드를 합성할 수 있다.
이를 위해 연구팀은 빠른 가열과 냉각이 가능한 장치 ‘RSR-S’를 자체 제작, 기존 3시간 소요 기존 장치보다 빠른 15분으로 실험 준비과정을 완료하는 조건을 만들었다.
이 장치는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체금속 합금을 만드는 장치로, 연구팀은 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 최적의 온도, 압력, 액체금속 합금비율 조건을 찾기 위해 수백 개의 매개변수를 조정했다.
그 결과 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체금속 합금을 제작, 하부 표면에서 1기압, 1025℃에 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 성장하는 것을 확인했다.
아울러 연구팀은 물질에 빛을 쏴 방출되는 파장을 분석하는 광 발광 분광법‘으로 다이아몬드 내에서 실리콘 공극 컬러센터 구조를 발견했다.
이 구조는 액체금속 합금의 구성요소 중 실리콘이 탄소로만 이뤄진 다이아몬드 결정 사이에 끼어든 모양으로, 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고 양자 현상을 갖기 때문에 향후 나노크기 자기센서 개발과 양자컴퓨터 분야로 응용이 기대된다.
연구팀은 이번에 개발한 다이아몬드를 반도체기계, 양자컴퓨터 등 응용분야에 활용하기 위해 웨이퍼 수준의 대면적 성장, 나노크기의 얇게 두께 제어기술 등 후속 연구를 구상 중이다.
이번 연구 공동 교신저자인 성원경 연구위원은 “이번 연구결과를 바탕으로 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다”며 “액체금속 합금 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 계획”이라고 설명했다.
로드니 연구단장은 “반도체, 기계 등 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다”며 “앞으로 빠르게 응용 분야를 확장해 한국이 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구결과는 최고 권이 국제학술지 ‘네이처’ 4월 25일자 온라인판에 게재됐다.
대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com
