'인공다이아몬드 합성 장벽 깨져'‥IBS 연구팀 1기압서 성공

기존 합성 조건과 크기 제약 넘어선 성과
양자 분야 활용 가능성도 발견

다이아몬드는 고온고압 조건에서 생산된다는 상식이 국내 연구팀에 의해 깨졌다. 다이아몬드를 양자분야에 활용할 수 있다는 사실도 확인됐다.

IBS 연구팀이 합성한 무지개 빛이 도는 다이아몬드 결정

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 연구단장 연구팀이 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용하여 일상적인 환경인 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다.

다이아몬드는 보석이기도 하지만 우수한 열 전도성과 단단함 및 내화학성을 가지고 있어 전자기기의 열 전도체, 반도체의 온도 상승을 방지하는 방열 장치, 절삭용 도구 등으로 활용도가 매우 높다.

하지만 이런 다이아몬드를 합성하기란 상당히 까다롭다. 대부분의 다이아몬드는 섭씨 1300도~1600도에 육박하는 고온과 표준 대기압(1기압)의 5만 배~6만 배에 달하는 고압 조건에서만 합성된다. 합성 가능한 다이아몬드의 크기도 약 1세제곱센티미터로 제한된다.

다양한 성장 조건에서 성장한 다양한 형태의 다이아몬드.

IBS 연구팀은 이런 제약을 깨고 1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 최초 합성했다.

연구팀은 아울러 ‘광 발광 분광법’이라는 실험을 통해 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석해봄으로써 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조를 발견했다. 이 구조는 액체 금속 합금의 구성요소 중 하나인 실리콘이, 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 구조다.

이때 실리콘 공극 컬러 센터 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고, 양자 현상(양자적인 특성)을 띈다. 향후 나노 크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨터 분야로 응용이 기대된다.

1기압 하에서 액체 금속 합금에서 다이아몬드의 성장

공동 교신저자 성원경 연구위원은 “이번 연구 결과를 바탕으로, 보다 쉽고 크게 다이아몬드를 만들 수 있게 됐다. 액체 금속 합금의 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 길을 열 것”이라며 후속 연구에 대한 기대를 밝혔다.

로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단 단장(공동 교신저자)

연구를 이끈 로드니 루오프 연구 단장은 “반도체, 기계 산업과 같은 주요 산업에 바로 접목할 수 있는 다이아몬드 합성 원천기술을 획득했다. 한국이 앞으로 빠르게 응용 분야를 확장해 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다”라 밝혔다.

연구 결과는 25일 0시(한국시간) 세계 최고 권위 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’온라인판에 실렸다.

백종민 기자 cinqange@asiae.co.kr