2024년 세계최초 기초과학연구원의 고압이 아닌 대기압에서 만든 합성 다이아몬드 원천기술

그간 합성 다이아몬드는 고온 고압 조건에서만 합성됐다. 이 패러다임을 깨고 2024년 세계 최초로 국내 연구진이 원천기술로 대기압인 1 기압에서 인공 다이아몬드를 만들어냈다. 대기압 합성 다이아몬드 원천기술은 반도체와 기계 산업 등 주요 산업에 바로 접목할 수 있다. 
 

최초의 대기압 합성 다이아몬드

지금까지 인공(합성) 다이아몬드는 섭씨 1300도 ~1600도 고온과 대기압(1 기압)의 5만 배~ 6만 배의 조건에서 만들어졌다. 고온 고압에서 다이아몬드를 합성하는 기술을 보유한 국가는 몇 개국 정도다. 
 

합성 다이아몬드

 
 2024년 4월 한국의 기초과학연구원(IBS)의 다차원 탄소재료 연구단이 세계 최초로 대기압에서 다이아몬드를 합성해 냈다. 연구단이 만든 합성 다이아몬드는 기존의 랩그로운 다이아몬드(Lab grown)와 합성하는 방식부터 완전히 다르다.
 
 연구단의 단장은 미국인 루오프 로드니(Ruof Rodney, 1957년생) 박사로 세계 상위 1% 물리화학자이자 탄소나노튜브 연구자다. 2014년부터 한국에 거주하고 있다.
 
 로드니 단장은 나노튜브, 그래핀, 다이아몬드 등 탄소나노구조체와 탄소 소재 분야의 전문가로 그래핀이 세상에 나오기도 전인 1990년대 초에 이미 연구하고 있었다. 
 
 덕분에 앞으로 인공 다이아몬드를 2시간 만에 더 크고 쉽게 만드는 길이 열렸다. 고온고압 인공 다이아몬드는 합성 조건도 어려운 데다 합성 가능한 크기도 1 세제곱 센티미터로 매우 제한적이다. 
 
 연구단은 대기압 다이아몬드를 합성하기 위해 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용했다. 1 기압과 1025도 온도에서 세계 최초로 다이아몬드를 합성해 냈다.
 
 연구단에는 빠르게 가열과 냉각이 가능한 RSRS라는 자체 장비가 있다. 이 장비를 이용해 갈륨 77.75%, 니켈 11%, 철 11%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 내고 탄소가 들어 있는 메탄가스를 주입했다. 
 
 그러자 다이아몬드의 구성 물질인 탄소가 액체 금속의 하부로 확산되며 다이아몬드가 합성되었다. 연구 성과는 저명 국제학술지 네이처 Nature에 실렸다. 
 
 연구진은 앞으로 액체 금속 합금의 구성을 여러 가지로 바꿔보는 시도를 한 후에 더 합당한 원료와 비율을 찾아 더욱 다양하게 다이아몬드를 합성해 낼 계획이다. 
 

활용도 매우 높은 합성 다이아몬드

탄소 원소로만 구성된 합성 다이아몬드는 단단하고 열 전도성이 좋을 뿐 아니라 화학적 처리에도 본연의 성질을 유지해서 활용도가 매우 높다. 드바이스 기업조차 랩 그로운을 이미 보석류로 가공 판매 중이고 다양한 산업분야에서 전자기 속 반도체나 열전도체의 방열장치 등으로 활용되고 있다. 
 
 더욱이 대기압 합성 다이아몬드 원천기술은 한국이 빠르게 응용분야를 확장해 관련 산업을 선도할 수 있다. 장인정신, 연구기술, 과학기술이 국력이다. 
 
 IBS 연구진은 대기압 다이아몬드를 합성했을 뿐 아니라 합성 다이아몬드에서 실리콘 공극 컬러센터 구조도 발견했다. 물질에 빛을 쏴 방출되는 빛의 파장을 분석하는 과정에서 알게 되었다.
 
 실리콘 공극 컬러센터는 액체금속 합금 속의 실리콘이 다이아몬드 결정 사이에 끼어든 구조를 말하며 양자 현상을 띠고 자기 민감도가 높아서 양자 컴퓨터 분야로 응용이 기대된다. 또한 나노미터 크기의 자기 센서 개발에도 응용할 수 있다. 
 
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맺음말

그간 합성 다이아몬드는 고온 고압 조건에서만 합성됐다. 이 패러다임을 깨고 2024년 세계 최초로 국내 연구진이 원천기술로 대기압인 1 기압에서 인공 다이아몬드를 만들어냈다. 대기압 합성 다이아몬드 원천기술은 반도체와 기계 산업 등 주요 산업에 바로 접목할 수 있다.