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세계에서 가장 아름다운 보석으로 꼽히는 다이아몬드. 눈부신 광채로 사람들의 마음을 사로잡은 이 보석의 가치는 시간이 흐를수록 더 높아지고 있는데요. 최근 천연광물인 다이아몬드를 고온이나 고압 없이 합성하는 기술이 세계 최초로 국내에서 개발됐습니다.

보석 중의 보석, 다이아몬드

보석에 대해 잘 몰라도 ‘다이아몬드(diamond)’를 모르는 분은 아마 없을 겁니다. 다이아몬드는 순수한 탄소로 이루어진 천연광물로, 팔면체의 결정을 이루고 있으며, 자연에서 얻을 수 있는 광물 중 가장 단단한 것이 특징입니다. 특히 무색투명한 순수 다이아몬드는 감탄이 절로 나오는 영롱함을 자랑합니다. 그 밖에 옐로우·레드·블루·그린·블랙 등 다양한 컬러의 다이아몬드도 존재해 보석으로서 가치가 높습니다. 국내에서의 인기 역시 단연 가장 높다고 할 수 있습니다.

다이아몬드는 그리스어로 부정을 뜻하는 ‘아(a)’와 정복을 뜻하는 ‘다마스(damas)’가 합쳐진 단어로, ‘정복할 수 없는 것’이란 뜻의 이름을 가지고 있습니다. 이처럼 과거에는 권력이나 부가 없으면 소유할 수 없는 천연 보물로 여겨졌지만, 최근에는 다이아몬드에 대한 인식이 많이 달라졌습니다. 기술의 발달로 인공 다이아몬드의 수준이 매우 높아졌기 때문입니다. 단단하고 열전도성이 우수하며, 화학 물질과도 잘 반응하지 않는 다이아몬드는 연마재, 시추기, 유리 절단, 전자기기나 반도체 등 공업용으로도 많이 쓰입니다. 이때는 주로 인공 다이아몬드가 사용되는데 일반적인 천연 다이아몬드와 비교해 봤을 때 구별하기 어려울 정도로 수준이 높은 편입니다.

‘랩 그론 다이아몬드(Lab Grown Diamond)’는 실험실에서 탄소에 고열과 고압을 가하여 만든 인공 다이아몬드입니다. 천연 다이아몬드와 성분이 자연산과 동일하고 물리적·화학적 성질도 100% 일치해 전문가들조차 감별이 쉽지 않다고 알려져 있습니다. 반면 가격은 천연 다이아몬드의 20~35% 정도여서 가성비가 높습니다. 국제 시장 조사 기업 Research and Markets는 전 세계 랩 그로운 다이아몬드 시장 규모가 2028년까지 373억 2,000만 달러 수준으로 성장할 것으로 전망했습니다.

고온고압 제약 없는 다이아몬드 합성 기술 개발

다이아몬드가 귀한 대접을 받는 것은 아주 오랜 시간에 걸쳐 탄생하기 때문입니다. 130km 이상 깊이의 땅속에서 수억 년 이상 높은 압력과 온도를 받아야 다이아몬드가 만들어지는데, 이런 상식을 깨고 일상적인 대기압인 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 기술이 최근 우리나라에서 개발되어 시선이 집중되고 있습니다.

기존 랩 그론 다이아몬드의 경우 1,300~1,600℃에 이르는 고온과 평상시 대기압의 5~6만 배에 달하는 고압 조건에서 합성이 이루어지는데, 이러한 조건을 유지하는 것이 어려워 합성할 수 있는 다이아몬드의 크기도 1㎤로 제한됩니다. 그러나 이번에 국내 연구진이 개발한 기술은 1기압에서 다이아몬드를 탄생시킬 수 있어 과학적으로 불가능하다고 여겨졌던 영역을 뛰어넘는 것이라고 할 수 있습니다.

지난 4월, 기초과학연구원(IBS)의 다차원 탄소재료연구단 로드니 루오프 연구단장 연구팀은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘으로 구성된 액체 금속 합금을 이용해 세계 최초로 1기압에서 다이아몬드를 합성하는 데 성공했습니다. 다이아몬드와 구조가 완전히 동일한 실리콘 원자가 가열 과정에서 탄소 원자로 교체되면서 다이아몬드가 되는 원리입니다. 온도도 1,025℃로 기존에 알려진 조건보다 낮은 수준에서 이루어진 성과입니다.

이러한 성과가 가능했던 것은 온도와 압력을 빠르게 조절해 액체 금속 합금을 만드는 ‘RSR-R’이라는 장치 덕분이었습니다. 연구팀은 RSR-R을 활용해 수백 개의 변수를 조정한 끝에 다이아몬드 합성을 위한 최적의 온도와 압력, 합금 비율을 찾았는데요. 더욱 놀라운 것은 통상 3시간 걸리는 기존 장치들과 달리, 불과 15분이면 합성이 가능하다는 것입니다. 대형으로 동시에 여러 개 제작도 가능하고, 필요한 재료비와 전기료도 몇천 원에 불과하며, 무엇보다 환경오염이나 노동력 착취 등의 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있습니다.

세계 최초의 합성 성공, 시사점은?

비싼 장비 없이, 비용이나 시간도 대폭 감소시키며 우리나라 연구진이 다이아몬드 합성을 이루어 냈다는 것은 여러 가지로 의미가 큽니다. 상용화된다면 세계 다이아몬드 가격이 낮아지면서, 반도체 등에 더욱 활발하게 활용될 수 있기 때문입니다. 반도체는 소재 제조업체부터 기기와 시스템 제조업체까지 저변이 넓은 산업이므로, 우리나라가 관련 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대됩니다.

특히 합성한 다이아몬드에 빛을 쏘고 방출되는 파장을 분석한 결과, 액체 합금의 구성 물질 중 하나인 실리콘이 다이아몬드 결정 사이에 끼어들어 있는 ‘실리콘 공극 컬러 센터’ 구조가 발견됐는데, 이것은 자기장에 대한 민감도가 높고 양자적인 특성을 보여 매우 작은 자기 센서 개발이나 양자컴퓨터에 응용될 수 있음을 시사합니다.

합금의 구성을 다른 금속으로 대체해 더욱 폭넓은 실험 조건에서 다이아몬드를 합성하는 등 추가 연구와 개발이 이루어진다면 매장량이 제로인 한국이 다이아몬드 생산시장의 중심이 될 날도 머지않아 보입니다. 보다 크고 쉽게 다이아몬드를 만들 수 있는 기술력을 확보해 우리나라가 세계 제1의 다이아몬드 생산국이 될 날을 기대해 봅니다.

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