基礎科學硏究院(IBS)
다이아몬드는 땅속의 高溫高壓 環境에서 數百萬 年 以上의 時間 동안 炭素 原子가 結合해 만들어지는 物質이다. 게티이미지뱅크
國內 硏究팀이 世界 最初로 우리가 生活하는 大氣壓 水準에서 다이아몬드를 合成하는 데 成功했다. 半導體나 量子컴퓨터 等 多樣한 分野에서 要緊하게 쓰이는 다이아몬드를 손쉽고 크게 만들 수 있을 것으로 期待된다.
基礎科學硏究院(IBS)은 로드니 루오프 多次元 炭素材料 硏究團長(蔚山科學技術院 化學과 특훈敎授)李 이끈 硏究팀이 液體 金屬 合金을 利用해 1氣壓에서 다이아몬드를 合成하는 데 世界 最初로 成功하고 硏究結果를 24日(現地時間) 國際學術誌 '네이처'에 公開했다고 24日 밝혔다.
다이아몬드는 땅속의 高溫高壓 環境에서 炭素(C) 原子가 結合해 數百萬 年 以上의 時間이 걸려 만들어지는 物質이다. 熱傳導性이 優秀하고 단단하며 化學 物質과도 잘 反應하지 않아 電子機器나 半導體 等 活用 分野가 넓다.
實驗室에서 人工 다이아몬드를 만드는 旣存 硏究에서 다이아몬드는 1300~1600℃에 이르는 高溫과 우리 周邊의 大氣壓(1氣壓)의 5~6萬 倍에 達하는 高壓 條件에서만 合成되는 것으로 알려졌다. 高溫高壓 條件을 維持하기 위한 技術的 限界 때문에 合成할 수 있는 다이아몬드의 크기도 매우 制限됐다.
루오프 團長은 "낮은 壓力에서 炭素 原子들을 合成하면 다이아몬드 代身 다른 炭素 救助체인 黑鉛을 만들 可能性이 높다"며 "1氣壓에서 다이아몬드를 성장시키는 것은 그동안 科學의 觀點에서 不可能하다고 여겨졌다"고 說明했다.
液體 金屬 合金의 바닥 表面에서 炭素가 擴散하며 다이아몬드의 成長을 誘導하는 過程. IBS 提供
硏究팀은 溫度와 壓力을 빠르게 調節해 液體 金屬 合金을 만드는 'RSR-R'이라는 裝置를 自體 製作했다. RSR-R을 活用해 數百 個의 變數를 調整하며 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 最適의 溫度와 壓力, 合金 比率을 찾았다.
갈륨 77.75%, 니켈 11%, 鐵 11%, 실리콘 0.25% 比率의 液體 金屬 合金을 만들고 메탄과 水素에 露出瑕疵 合金 下部 表面에서 炭素가 擴散하며 다이아몬드 核을 形成하고 成長했다. 다이아몬드가 만들어진 溫度는 1025℃였고 壓力은 우리 周邊의 大氣壓 水準인 1氣壓에 不過했다. 다이아몬드는 高溫高壓에서만 成長한다는 패러다임을 깬 것이다.
RSR-S 裝置를 통해 만든 다이아몬드 決定. 다이아몬드 固有의 무지갯빛이 돈다. IBS 提供
다이아몬드의 크기를 키울 수 있다는 特徵도 다이아몬드의 크기를 調節하기 어려웠던 旣存 高溫高壓 合成法과의 差別點이다. 또 넓은 面積에 걸쳐 다이아몬드를 同時에 여러 個 성장시킬 수도 있다.
루오프 團長은 "이런 方式으로 다이아몬드 合成을 試圖하는 데 비싼 裝備가 必要하지 않다는 點도 重要한 側面"이라며 "世界의 모든 實驗室이 試圖할 수 있다"고 밝혔다.
나아가 硏究팀은 다이아몬드에 빛을 쏘고 放出되는 波長을 分析했다. 液體 合金의 構成 物質 中 하나인 실리콘이 다이아몬드 決定 사이에 끼어들어 있는 '실리콘 空隙 컬러 센터' 構造가 發見됐다. 硏究팀은 "이 構造가 磁氣場에 對한 敏感度가 높고 兩者的인 特性을 보여 매우 작은 自己 센서 開發이나 量子컴퓨터에 應用될 것으로 期待된다"고 말했다.
硏究팀이 다양한 成長 條件에서 만든 다이아몬드. IBS 提供
硏究의 共同 交信著者人 성원경 IBS 多次元 炭素材料 硏究團 硏究委員은 "이番 硏究로 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다"며 "合金의 構成을 다른 金屬으로 代替해 더욱 폭넓은 實驗 條件에서 다이아몬드를 合成할 수 있도록 할 것"이라고 後續 硏究 方向에 對해 說明했다.
루오프 團長은 "다이아몬드 合成 源泉 技術 確保로 韓國이 다이아몬드 製造의 中心地가 될 可能性이 있다고 생각한다"며 "半導體 等 빠르게 應用 分野를 擴張해 關聯 産業을 先導할 수 있을 것으로 期待한다"고 밝혔다.
