이미지 크게보기 다양한 조건에서 성장한 액체 금속 합금 속 다이아몬드들을 현미경으로 본 모습. 기초과학연구원 제공

다이아몬드는 고온·고압 조건에서 생산된다는 기존 상식을 파괴하는 실험이 성공했다. 평상시 대기압(1기압)에서 다이아몬드를 합성할 수 있게 된 것.

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

다이아몬드는 섭씨 1300∼1600도에 육박하는 고온과 표준 대기압(1기압)의 5만∼6만배에 달하는 고압 조건에서만 합성됐다.

고온고압 조건을 유지하기 위한 압력 셀 크기 제한 때문에 합성 가능한 다이아몬드 크기도 약 1㎤로 제한된다.

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

빠르게 가열과 냉각이 가능한 ‘RSR-S’라는 장치를 자체 제작해 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 15분이면 끝날 수 있게 했다.

RSR-S는 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 장치다.

이미지 크게보기 무지개 빛이 도는 다이아몬드 결정의 모습. 기초과학연구원 제공. 연합뉴스

연구팀은 메탄과 수소에서 갈륨 77.75%, 니켈 11.00%, 철 11.00%, 실리콘 0.25%로 구성된 액체 금속 합금을 만들어 하부 표면에서 다이아몬드 구성 물질인 탄소가 확산(성장)하는 것을 확인했다.

연구팀은 ‘광 발광 분광법’ 실험으로 물질에 빛을 쏘아 방출되는 파장 빛을 분석, 다이아몬드 내 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조도 발견했다.

이 구조는 액체 금속 합금 구성요소 중 하나인 실리콘이 탄소로만 이뤄진 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 것이다.

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

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 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처’ 온라인에 실렸다.

박세영 기자