세계 최초 1기압에서 다이아몬드 합성 성공...IBS 연구팀 개발

[이코노믹데일리] 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단의 로드니 루오프 연구단장 연구팀은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다.

다이아몬드는 뛰어난 열전도성, 단단함, 내화학성을 갖춘 탄소 물질로 전자기기의 열 전도체, 반도체의 온도 상승을 방지하는 방열 장치 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 하지만 기존 다이아몬드 합성은 섭씨 1300~1600℃의 고온과 표준 대기압의 5만~6만 배에 달하는 고압 조건에서만 가능했다. 또한, 고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀의 크기 제한으로 인해 합성 가능한 다이아몬드 크기도 약 1㎤로 제한되었다.

IBS 연구팀은 이러한 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 완전히 깨고 1025℃ 온도와 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 최초로 합성했다. 연구팀은 빠르게 가열 및 냉각이 가능한 ‘RSR-S’ 장치를 자체 개발해 기존 장치보다 훨씬 짧은 시간 안에 실험을 완료할 수 있었다. 또한, 수백 개의 매개변수를 조절하며 다이아몬드 성장에 최적화된 온도, 압력, 액체 금속 합금 비율 조건을 찾았다.

연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들고 액체 금속 합금 하부에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 확산되는 것을 확인했다. 또한, ‘광 발광 분광법’을 통해 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조를 발견했다. 이 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고 양자 현상을 띈다. 이는 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨터 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

성원경 연구위원은 “이번 연구 결과를 바탕으로 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다”며 “액체 금속 합금의 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 길을 열 것”이라고 후속 연구 계획을 밝혔다.

로드니 루오프 연구단장은 “반도체, 기계 산업과 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”라고 밝혔다.

이번 연구는 4월 25일 0시(한국시간) 세계 최고 권위 국제학술지 네이처(Nature, IF 64.8) 온라인판에 게재됐다.