합성 다이아몬드 상업 제조 기술 개발됐다

천연 다이아몬드는 지구 깊숙한 곳에서 탄소 원자 집합체가 극도의 고온과 고압에 노출되어 형성된다. 인공적으로 합성 다이아몬드를 만드는 고온고압법 그러니까 HPHT(High Pressure High Temperature)법은 지구 내부 생성 과정을 재현한 것. 최근 국내 기초과학연구원과 울산과학기술원 연구팀이 상압에서 다이아몬드를 만들어내는 기술을 개발했다고 학술지 네이처에 발표한 논문을 통해 보고했다.

합성 다이아몬드 대부분(99%)은 HPHT법으로 제조되는데 보통 1300∼1600°C 온도 범위에서 56GPa 압력을 가하고 액체 금속을 촉매로 사용해 다이아몬드를 성장시킨다. 이미 합성 다이아몬드는 보석, 정밀 가공 공구 등 다양한 분야에서 사용되고 있지만 더 낮은 압력과 짧은 시간에 합성할 수 있다면 혁명적인 변화가 있을 수 있다.

이에 연구팀은 RSR-S라는 자체 제작 진공 시스템을 개발해 합성 다이아몬드 제조 연구 과정을 단축시켰다. 이를 통해 액체 금속 비율, 온도 같은 파라미터를 조정할 수 있게 되어 마침내 상압 환경에서 합성 다이아몬드를 만들 수 있는 조건을 발견했다.

이들이 발견한 방법은 1기압(1013hPa), 1025°C 조건에서 갈륨, 니켈, 철, 규소를 77.75:11.00:11.00:0.25 비율로 혼합한 액체 금속에 순수 메탄과 수소를 노출시키는 것이다. 메탄에 포함된 탄소 원자가 액체 금속 표면 아래로 퍼져나가 15분 만에 작은 다이아몬드 핵이 형성되고 최종적으로 액체 금속 표면에 다이아몬드 막이 만들어졌다고 한다.

연구팀은 합성 다이아몬드와 접한 액체 금속 표면 아래 30~40nm 영역에 비정질 구조가 있으며 그 영역 위 원자 27%가 탄소 원자인 걸 발견했다. 또 액체 금속에 소량 들어있는 규소가 다이아몬드 성장에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

니켈 대신 코발트를, 갈륨 대신 갈륨-인듐 혼합물을 사용해도 고품질 다이아몬드를 성장시킬 수 있었다고 한다. 연구팀은 액체 금속 내 다이아몬드 핵 생성과 성장에 대한 발견은 기초과학에 많은 흥미로운 기회를 제공하며 현재 핵 생성과 후속 다이아몬드 급성장이 언제 일어나는지 탐구하고 있다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.