IBS, 액체합금 금속 이용해 1기압서 합성법 개발
1025도서 탄소 확산으로 다이아몬드 성장 확인
IBS 제공
기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장 연구팀은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘 등으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 세계 최초로 성공했다고 25일 밝혔다.
이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(25일자)' 온라인에 실렸다.
다이아몬드는 우수한 열 전도성과 단단함, 내화학성 등을 가진 탄소 물질로, 전자기기의 열 전도체나 반도체의 온도 상승을 막는 방열 장치 등으로 활용도가 매우 높다. 하지만, 다이아몬드를 합성하기 상당히 까다롭고, 대부분은 섭씨 1300∼1600도에 육박하는 고온과 표준 대기업(1기압)의 5만∼6만 배에 달하는 고압 조건에서 합성해야 하는 제약이 있다. 고온 고압 조건을 유지하려면 압력 셀 크기 제한으로 합성 가능한 다이아몬드 크기가 1㎤로 제한된다.
연구팀은 기존 다이아몬드 합성 패러다임을 완전히 깨는 1025도 온도와 1기압 압력 조건에서 합성하는 방법을 구현했다. 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 'RSR-S' 장치를 자체 제작해 3시간이 걸리는 기존 장치들과 달리 총 15분이면 모든 실험 준비 과정을 마칠 수 있다.
연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11%, 철 11%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성물질인 탄소가 확산되는 것을 확인했다. 이 액체금속 합금 하부에서 1025도의 온도와 1기압 압력에서 탄소 확산이 이뤄지면서 다이아몬드가 성장하는 것을 밝혀낸 것이다.
이 과정에서 연구팀은 다이아몬드 내 실리콘 공극 컬러 센터 구조를 발견했는데, 자기 민감도가 높고 양자 현상을 띠어 향후 나노크기의 자기 센서 개발과 양자 컴퓨터에 적용할 수 있을 것으로 기대했다.
로드니 루오프 연구단장은 "보다 쉽고 크게 다이아몬드를 대기압에서 만들 수 있는 길을 열었다"며 "액체 금속 합금 구성을 다른 금속으로 대체하는 방법을 찾아 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성할 수 있도록 후속 연구를 진행하겠다"고 말했다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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