합성 다이아몬드를 상압에서 만드는 기술을 개발

천연 다이아몬드는 지구의 깊은 곳에서 탄소원자의 집합체가 극도의 고온·고압에 노출되어 형성되며 인공적으로 합성 다이아몬드를 만들어내는 고온 고압법(HPHT법)은 지구 내부의 생성 프로세스를 재현한 것입니다. 새롭게 한국의 기초과학연구원과 울산과학기술원의 연구팀이 상압에서 다이아몬드를 만드는 기술을 개발했다고 과학지 Nature에 발표했습니다.

Making diamonds at ambient pressure | EurekAlert!
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Making diamonds at ambient pressure

Forget Billions of Years: Scientists Have Grown Diamonds in Just 150 Minutes : ScienceAlert
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Forget Billions of Years: Scientists Have Grown Diamonds in Just 150 Minutes

99%가량의 합성 다이아몬드의 제조에 사용되고 있는 HPHT법에서는 일반적으로 섭씨 1300~1600도의 온도범위 내에서 5GPa~ 6GPa의 압력을 가하고 액체 금속을 촉매로 사용하여 다이아몬드를 성장시킵니다. 이미 합성 다이아몬드는 보석품이나 정밀 가공용 공구 등 폭넓은 분야에서 이용되는데 보다 저압이면서 단시간에 합성 다이아몬드를 만드는 방법을 발견할 수 있으면 합성 다이아몬드의 제조에 혁명이 초래될 가능성이 있다고 합니다.

한국의 연구팀은 합성 다이아몬드의 새로운 제조방법을 찾는 프로세스를 단축하기 위해 'RSR-S'라는 자체 제작의 진공 시스템을 개발했습니다. 이에 따라 액체금속의 비율이나 온도 등의 파라미터를 조정하는 연구가 대폭 가속되었고 상압의 환경하에서 합성 다이아몬드를 만들어내는 파라미터를 발견했습니다.

연구팀이 발견한 합성 다이아몬드의 제조방법은 1기압(약 1013hPa) 섭씨 1025도의 조건 하에서 갈륨·니켈·철·규소를 '77.75:11.00:11.00:0.25'의 비율로 혼합한 액체 금속에 순수한 메탄과 수소를 노출한다는 것. 메탄에 함유된 탄소원자가 액체 금속의 표면 아래로 퍼져 불과 15분 정도로 작은 다이아몬드의 핵이 형성되었고 최종적으로 액체 금속의 표면에 다이아몬드 막이 만들어졌다고 연구팀은 보고했습니다.

울산과학기술원 대학원생이자 논문의 필두저자인 Yan GONG 씨는 “어느 날 RSR-S 시스템을 사용하여 실험을 하고 흑연 도가니를 냉각시켜 액체금속을 응고시키고 고화시켰습니다. 액체 금속 조각을 제거할 때 파편의 바닥면 수 mm에 걸쳐 무지개 같은 모양이 퍼지고 있는 것을 깨달았습니다. 이 무지개 색이 다이아몬드에 의한 것으로 밝혀졌습니다! 이를 통해 다이아몬드의 재현성 있는 성장에 유리한 매개변수를 확인할 수 있습니다."라고 설명했습니다.

이번 연구에서는 합성 다이아몬드와 접하는 액체 금속의 표면하 영역에 두께 30~40mm의 비정질 영역이 존재하고, 이 영역 상부에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소원자인 것으로 드러났습니다. 탄소는 갈륨에 용해되지 않는다고 생각되고 있기 때문에 갈륨이 풍부한 액체 금속에 이렇게 고농도의 탄소가 녹아 있는 것은 예상외였다고 합니다.

또한 액체금속에 약간 함유된 규소가 합성 다이아몬드의 성장에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 규소가 최적치보다 늘어나면 다이아몬드의 사이즈는 작고 밀도는 높아졌고 규소가 없으면 다이아몬드는 전혀 성장할 수 없었다고 합니다. 이것은 합성 다이아몬드의 초기 형성에 규소가 관여할 가능성을 시사합니다.

이번 연구에서는 갈륨, 니켈, 철, 규소로 구성된 액체 금속이 사용되었지만 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨과 인듐의 혼합물로 대체해도 고품질의 다이아몬드를 성장시킬 수 있었다고 합니다.

기초과학연구소의 다차원 탄소재료센터의 소장인 로드니 루오프 씨는 “액체금속에서 다이아몬드의 핵생성과 성장에 대한 우리의 발견은 매력적이고 기초과학에 많은 흥미로운 기회를 줍니다. 우리는 현재 핵의 생성과 다이아몬드의 급속한 성장이 언제 일어날지 탐구하고 있다”고 설명했습니다.