자성 가진 인공 다이아몬드 등장

천연 다이아몬드보다 강하고 빛나는 Q카본

‘이 세상에 영원한 강자는 없다’라는 말은 물질 세상에서도 통용된다. 이 세상에서 가장 단단한 물질로 인정받아온 다이아몬드가 최근 자신보다 더 강한 상대를 만나게 되어 이목이 집중되고 있다. 바로 ‘Q-카본(Q-Carbon)’이라는 이름의 인공 다이아몬드다.

Q-카본의 전자현미경 사진. 다이아몬드 구조가 파괴된 것 같은 비정형 구조를 보인다 ⓒ NCSU.edu

Q-카본의 전자현미경 사진. 다이아몬드 구조가 파괴된 것 같은 비정형 구조를 보인다 ⓒ NCSU.edu

과학기술 전문 매체인 사이언스뉴스(Sciencenews)는 지난 4일자 기사를 통해 미국의 과학자들이 기존의 다이아몬드를 대체할 더 빛나고 강력한 인공다이아몬드를 개발했다고 보도하면서, 향후 첨단 제조공정에 사용될 신소재로 각광받고 있다고 밝혔다. (관련 기사 링크)

탄소 물질로는 최초로 자성 가져

탄소는 변신의 귀재다. 여러 가지 형태의 구조로 존재할 수 있기 때문이다. 상온과 대기압에서의 탄소 원자들은 2차원 구조의 벌집 형태로 서로 연결되는데, 이런 벌집 형태가 차곡차곡 쌓여 만든 대표적인 물질로는 연필을 만들 때 사용되는 흑연을 들 수 있다.

반면에 탄소가 고온과 고압의 상태에 놓이게 되면 결합되었던 원자들이 찌그러지면서 튀어나가게 되는데, 이들의 구조는 2차원이 아닌 3차원의 4면체 구조를 이루게 되면서 이전과는 완전히 다른 단단한 물질이 된다. 바로 다이아몬드다.

탄소가 변신의 귀재인 이유는 이처럼 구조가 변하게 될 때, 단순히 물리적 형태만 변하는 것이 아니라 새로운 특성을 지니게 되기 때문이다. 예를 들어 다이아몬드로 변하게 되면 강도가 대단히 높은 물질이 되고, 그래핀(graphene)이 되면 전기를 통하게 만든다.

여기에 더해 최근에는 자성(磁性)을 가진 물질을 만들 수 있는 기술이 개발되어 주목을 끌고 있다. 미 노스캐롤라이나주립대의 연구진이 개발한 이 Q-카본이라는 물질은 비결정성 탄소에 레이저빔을 쏘아 만든다.

Q-카본은 탄소로 이루어져 있지만, 흑연도 다이아몬드도 아닌 제3의 특성을 갖고 있다. 형태가 다이아몬드보다 더 밝고 강해서 인공 다이아몬드로 분류하고 있지만, 기존의 인공 다이아몬드보다 제조방법이나 환경조건이 완전히 다르기 때문에 별도의 물질로 보는 것이 맞다는 의견이 대부분이다.

이번 연구의 책임자인 재료공학부의 자그디시 나라얀(Jagdish Narayan) 교수는 “Q-카본이 다이아몬드처럼 탄소로 이루어져 있지만, 조도가 낮은 조명에서 1.6배나 더 밝게 빛나고 강도도 더 단단하다”고 설명하며 “특히 강자성을 가지고 있어 자기(磁氣)를 띨 수 있다는 것이 기존 탄소 물질들과 차이점”이라고 덧붙였다.

그는 “처음에는 Q-카본이 자성을 가지고 있으리라고는 전혀 생각하지 못했다”라고 밝히며 “샘플 조각들이 철제 핀셋에 들러붙는 것을 보고 깜짝 놀랐는데, 현재까지 개발된 탄소 소재 중에 자성을 띠는 물질은 Q-카본 밖에 없다”라고 소개했다.

디스플레이 및 의료 분야에 활용될 것으로 전망

Q-카본이 탄생하기 이전, 과학자들은 이미 인공적으로 다이아몬드를 만드는 기술개발에 성공했지만, 상용화에는 실패했다. 인공적으로 다이아몬드를 만드는 비용이 천연의 다이아몬드를 구입하는 것보다 훨씬 비쌌기 때문이다.

하지만 Q-카본의 경우는 다르다는 것이 노스캐롤라이나주립대 연구진의 주장이다. 기존의 인공 다이아몬드 제조방법과는 다르게 상온의 대기압에서 제조가 가능하기 때문에, 비용이 훨씬 더 저렴하다는 것을 주장의 근거로 제시하고 있다.

씨앗 Q-카본이 기판에 형성된 모습 ⓒ NCSU.edu

씨앗 Q-카본이 기판에 형성된 모습 ⓒ NCSU.edu

연구진이 발표한 논문에 따르면 Q-카본 제조를 위해서는 레이저빔으로 전처리를 해야 하는 것으로 나타났다. 탄소 조각에 고출력 레이저빔을 쏘면, 마치 눈사람을 처음 만들 때처럼 결정 크기를 점점 키울 수 있는 ‘씨앗 Q-카본’을 얻게 된다.

레이저빔 노출시간은 비록 200나노초 밖에 안 되는 찰나의 순간이지만, 그 사이 빛의 온도는 3700도에 이르게 된다. 이 정도의 온도라면 천연 다이아몬드 생성에 필요한 온도인 1500도의 2배가 훨씬 넘는 수치다.

나라얀 교수는 “그런 뒤 Q-카본을 급속하게 냉각시키는데(quenching), 이런 냉각 과정으로 인해 Q-카본(Quenching-carbon)이라는 이름이 붙여졌다”라고 설명하면서 “냉각이 끝나면 지구상에 존재하지 않는 독특한 구조와 특성의 결정체가 생성된다”라고 말했다.

Q-카본의 구조를 전자현미경으로 살펴보면, 다이아몬드처럼 깔끔한 격자들이 서로 맞물리는 대신에 탄소 사면체가 비정형의 더미로 뒤섞여 있음을 볼 수 있다. 어찌 보면 다이아몬드 구조가 박살난 것처럼 보이기도 하는데, 그러면서도 개별 골격은 그대로 유지하고 있는 것이 Q-카본 구조의 특징이다.

나라얀 교수는 “현재 기술로는 15분에 200㎎ 정도 밖에는 얻을 수 없기 때문에 아직 더 많은 연구가 필요하다”고 전제하면서 “분명한 것은 Q-카본이 자성을 띄고 있어 밝고 선명한 이미지를 구현할 수 있으며, 다이아몬드보다 단단하기 때문에 절대 깨지지 않는 디스플레이를 만들 수 있다는 점”이라고 강조했다.

이 외에도 연구진은 Q-카본이 의학 분야에서 유용하게 사용될 것으로 기대하고 있다. 연구진의 한 관계자는 “약물 주입을 위한 응용 방안으로는 다이아몬드 나노 바늘과 마이크로 바늘, 그리고 대형 다이아몬드 필름 제작 등에 Q-카본 기술을 활용할 수 있을 것으로 보인다”고 전망했다.

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