땅 속 고압 아닌 1기압에서 세계 최초 다이아몬드 합성 성공

기초과학연구원(IBS)

다이아몬드는 땅속의 고온고압 환경에서 수백만 년 이상의 시간 동안 탄소 원자가 결합해 만들어지는 물질이다. 게티이미지뱅크

국내 연구팀이 세계 최초로 우리가 생활하는 대기압 수준에서 다이아몬드를 합성하는 데 성공했다. 반도체나 양자컴퓨터 등 다양한 분야에서 요긴하게 쓰이는 다이아몬드를 손쉽고 크게 만들 수 있을 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(울산과학기술원 화학과 특훈교수)이 이끈 연구팀이 액체 금속 합금을 이용해 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공하고 연구결과를 24일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개했다고 24일 밝혔다.

다이아몬드는 땅속의 고온고압 환경에서 탄소(C) 원자가 결합해 수백만 년 이상의 시간이 걸려 만들어지는 물질이다. 열전도성이 우수하고 단단하며 화학 물질과도 잘 반응하지 않아 전자기기나 반도체 등 활용 분야가 넓다.

실험실에서 인공 다이아몬드를 만드는 기존 연구에서 다이아몬드는 1300~1600℃에 이르는 고온과 우리 주변의 대기압(1기압)의 5~6만 배에 달하는 고압 조건에서만 합성되는 것으로 알려졌다. 고온고압 조건을 유지하기 위한 기술적 한계 때문에 합성할 수 있는 다이아몬드의 크기도 매우 제한됐다.

루오프 단장은 "낮은 압력에서 탄소 원자들을 합성하면 다이아몬드 대신 다른 탄소 구조체인 흑연을 만들 가능성이 높다"며 "1기압에서 다이아몬드를 성장시키는 것은 그동안 과학의 관점에서 불가능하다고 여겨졌다"고 설명했다.

액체 금속 합금의 바닥 표면에서 탄소가 확산하며 다이아몬드의 성장을 유도하는 과정. IBS 제공

연구팀은 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 'RSR-R'이라는 장치를 자체 제작했다. RSR-R을 활용해 수백 개의 변수를 조정하며 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 최적의 온도와 압력, 합금 비율을 찾았다.

갈륨 77.75%, 니켈 11%, 철 11%, 실리콘 0.25% 비율의 액체 금속 합금을 만들고 메탄과 수소에 노출하자 합금 하부 표면에서 탄소가 확산하며 다이아몬드 핵을 형성하고 성장했다. 다이아몬드가 만들어진 온도는 1025℃였고 압력은 우리 주변의 대기압 수준인 1기압에 불과했다. 다이아몬드는 고온고압에서만 성장한다는 패러다임을 깬 것이다.

RSR-S 장치를 통해 만든 다이아몬드 결정. 다이아몬드 고유의 무지갯빛이 돈다. IBS 제공

다이아몬드의 크기를 키울 수 있다는 특징도 다이아몬드의 크기를 조절하기 어려웠던 기존 고온고압 합성법과의 차별점이다. 또 넓은 면적에 걸쳐 다이아몬드를 동시에 여러 개 성장시킬 수도 있다.

루오프 단장은 "이런 방식으로 다이아몬드 합성을 시도하는 데 비싼 장비가 필요하지 않다는 점도 중요한 측면"이라며 "세계의 모든 실험실이 시도할 수 있다"고 밝혔다.

나아가 연구팀은 다이아몬드에 빛을 쏘고 방출되는 파장을 분석했다. 액체 합금의 구성 물질 중 하나인 실리콘이 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조가 발견됐다. 연구팀은 "이 구조가 자기장에 대한 민감도가 높고 양자적인 특성을 보여 매우 작은 자기 센서 개발이나 양자컴퓨터에 응용될 것으로 기대된다"고 말했다.

연구팀이 다양한 성장 조건에서 만든 다이아몬드. IBS 제공

연구의 공동 교신저자인 성원경 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 "이번 연구로 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다"며 "합금의 구성을 다른 금속으로 대체해 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 수 있도록 할 것"이라고 후속 연구 방향에 대해 설명했다.

루오프 단장은 "다이아몬드 합성 원천 기술 확보로 한국이 다이아몬드 제조의 중심지가 될 가능성이 있다고 생각한다"며 "반도체 등 빠르게 응용 분야를 확장해 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]