1기압 아래에서 액체 금속 합금에서 다이아몬드의 성장.(IBS 제공)/뉴스1

국내 연구진이 고온·고압에서만 다이아몬드가 합성된다는 기존 패러다임을 깨고, 세계 최초로 우리 주변 기압인 1기압에서 다이아몬드를 생산하는 데 성공했다.

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

대부분의 다이아몬드는 섭씨 1300~1600도에 육박하는 고온과 표준 대기압(1기압)의 5만 ~6만 배에 달하는 고압 조건에서만 합성되기 때문에 합성하기가 상당히 까다롭다.

또 고온·고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀의 크기 제한 때문에 합성 가능한 다이아몬드의 크기는 약 1㎤로 제한된다.

이에 연구팀은 다이아몬드 합성 패러다임을 완전히 깨는 1025도 온도 및 1기압 압력 조건에서 다이아몬드를 처음으로 합성했다.

연구팀은 우선 빠르게 가열 및 냉각 가능한 ‘RSR-S’이라는 장치를 자체 제작해 3시간 소요되는 기존 장치들과 달리 총 15분이면 모든 실험 준비 과정이 완료될 수 있게 했다.

RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치로, 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 최적의 온도, 압력, 액체 금속 합금 비율 조건을 찾기 위해 수백 개의 매개변수 조정에 사용됐다.

연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들었다. 이를 통해 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 확산하는 것을 확인했다. 액체 금속 합금 하부에서 탄소 확산이 1025도의 온도와 1기압 압력에서 이뤄짐으로써 다이아몬드가 성장한다는 사실을 밝힌 것이다.

또 ‘광 발광 분광법’이라는 실험을 통해 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석함으로써 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조를 발견했다.

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 말했다.

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”고 했다.

이번 연구 결과는 세계 최고 권위의 국제학술지 ‘네이처’ 온라인에 이날(25일) 게재됐다.