1기압에서 다이아몬드 생산 성공! 액체 금속 합금이 열쇠

기존의 상식을 뒤엎는 획기적인 발견! 연구팀은 액체 금속 합금을 이용하여 1기압에서 다이아몬드를 합성하는데 성공했습니다. 이는 다이아몬드 생산 방식에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

▲ RSR-S 장치를 통해 만들어진 다이아몬드 결정

다이아몬드, 그 빛나는 미래

다이아몬드는 고유한 광택과 단단함으로 보석으로 사랑받는 동시에, 뛰어난 열전도성, 내마모성, 내화학성으로 인해 산업 분야에서도 폭넓게 활용되고 있습니다. 특히 최근에는 반도체, 의료, 항공우주 분야에서 다이아몬드의 응용 가능성이 높아지면서 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

하지만 기존의 다이아몬드 합성 방법은 고온 고압 조건에서만 가능했기 때문에 생산 비용이 높고 크기 제한이라는 문제점이 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔고, 드디어 획기적인 발견이 이루어졌습니다.

 

기존 다이아몬드 합성의 한계

기존의 다이아몬드 합성 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다.

• 고온 고압법: 1300~1600℃의 고온과 표준 대기압의 5만~6만 배에 달하는 고압 조건에서 다이아몬드를 합성하는 방법입니다. 이 방법은 가장 일반적인 방법이지만, 생산 비용이 높고 크기 제한이라는 문제점이 있습니다. 또한, 고온 고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀의 크기 제한 때문에 합성 가능한 다이아몬드의 크기는 약 1세제곱 센티미터로 제한됩니다.
• 화학 기상 증착법: 메탄 가스를 고온에서 분해하여 다이아몬드를 성장시키는 방법입니다. 고온 고압법에 비해 생산 비용이 낮고 크기 제한이 없지만, 성장 속도가 느리고 결함이 발생하기 쉬운 단점이 있습니다.

획기적인 발견! 1기압에서 다이아몬드 합성 성공

다이아몬드는 고유한 광택과 단단함으로 보석으로 사랑받는 동시에, 뛰어난 열전도성, 내마모성, 내화학성으로 인해 산업 분야에서도 폭넓게 활용되고 있습니다. 하지만 기존의 다이아몬드 합성 방법은 고온 고압 조건에서만 가능했기 때문에 생산 비용이 높고 크기 제한이라는 문제점이 있었습니다.

이러한 한계를 극복하여 획기적인 발견이 이루어졌습니다! 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 연구단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 액체 금속 합금을 이용하여 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했습니다. 이는 기존의 고온 고압 조건에서 다이아몬드를 합성해야 한다는 상식을 완전히 뒤엎는 혁신적인 발견입니다.

혁신을 가능하게 한 핵심 기술 액체 금속 합금

연구팀은 고온 고압 조건 없이 1기압에서 다이아몬드를 합성하기 위해 액체 금속 합금을 이용하는 새로운 방법을 개발했습니다. 액체 금속 합금은 고온에서도 액체 상태를 유지하며, 탄소 용해도가 높고 압력을 낮출 수 있다는 특징을 가지고 있습니다.

연구팀은 액체 금속 합금에 메탄 가스를 주입하여 탄소를 용해시킨 후, 하부 표면에서 탄소가 확산되는 것을 확인했습니다. 이때, 액체 금속 합금의 구성 요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이루어진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 '실리콘 공극 컬러 센터' 구조를 형성했습니다. 이 구조는 양자 크기의 자성을 가져 자기 민감도가 높고 양자 현상을 띈다는 특징을 가지고 있습니다.

 

▲ 1기압 하에서 액체 금속 합금에서 다이아몬드의 성장.

• (a) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 다이아몬드 
• (b) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 연속 다이아몬드 필름의 광학 사진.
• (c) 전자 현미경용 샘플 그리드 위에 전사된 다이아몬드 필름의 광학 사진. 
• (d) 다이아몬드 필름의 원자힘현미경 사진. 
• (e) 응고된 액체 금속 표면에 성장한 단일 다이아몬드 입자의 단면 투과 현미경 사진. 
• (f) 성장한 다이아몬드의 원자 구조 사진. 
• (g) 응고된 액체 금속에 있는 성장된 다이아몬드의 주사 전자 현미경 사진. 
• (h) 액체 금속의 바닥 표면에서 다이아몬드의 성장을 유도하는 탄소의 확산을 보여주는 도식.

▲ 다양한 성장 조건에서 성장한 다양한 형태의 다이아몬드

• (a) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.75/11.00/11.00/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장. 
• (b) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.50/11.00/11.00/0.50 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장. 
• (c) 메탄/수소(1/20 몰비) 하에서 Ga/In/Ni/Fe/Si(38.88/38.87/7.33/14.67/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장. 
• (d) 메탄/수소(1/5 몰비) 하에서 Ga/Ni/Fe/Si(77.75/11.00/11.00/0.25 at%)의 액체 금속 합금을 사용하여 성장.

다이아몬드, 그 무궁무진한 가능성

1기압에서 다이아몬드 합성 기술은 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 특히, 나노 자기 센서와 양자 컴퓨터 분야에서 큰 활용 가능성이 있습니다.

• 나노 자기 센서: 1기압에서 합성된 다이아몬드는 실리콘 공극 컬러 센터 구조를 가지고 있어 양자 크기의 자성을 나타냅니다. 이를 이용하면 매우 민감하고 정밀한 나노 자기 센서를 개발할 수 있습니다. 의료 영상, 환경 측정, 자기장 감지 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
• 양자 컴퓨터: 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 연산 속도를 가진 차세대 컴퓨터입니다. 양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 양자 비트(Qubit)를 구현하는 기술이 필요합니다. 1기압에서 합성된 다이아몬드는 실리콘 공극 컬러 센터 구조를 통해 양자 비트를 구현할 수 있는 가능성이 높습니다. 양자 컴퓨터 개발에 큰 진전을 가져올 것으로 기대됩니다.

기대되는 후속 연구

1기압에서 다이아몬드 합성 기술은 아직 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 앞으로 연구팀은 다양한 액체 금속 합금을 사용하여 다이아몬드의 특성을 조절하고, 더 큰 크기의 다이아몬드를 합성하는 연구를 진행할 계획입니다. 또한, 나노 자기 센서, 양자 컴퓨터 등 다양한 응용 분야 개발에도 적극적으로 참여할 것입니다.

 

맺음말

1기압에서 다이아몬드 합성 기술은 다이아몬드 산업에 혁신을 가져올 획기적인 발견입니다. 이 기술은 다양한 분야에서 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다. 앞으로 연구팀의 노력을 통해 다이아몬드 기술이 더욱 발전하고, 더 많은 사람들에게 이익이 되기를 기대합니다.

연구 결과는 4월 25일 0시(한국시간) 세계 최고 권위 국제학술지 ‘네이처(Nature, IF 64.8)’온라인판에 실렸습니다.

 

 

출처 : 기초과학연구원