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세상에서 가장 얇은 다이아몬드의 탄생

그래핀의 변신…두께 0.5nm 초박막 다이아몬드로

두께가 머리카락 굵기의 10만 분의 1에 불과한 세상에서 가장 얇은 다이아몬드가 탄생했다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단은 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀을 이용해 두께 0.5nm의 초박막 다이아몬드를 제조했다.

그래핀은 흑연의 한 층을 얇게 벗겨낸 물질이다. 지구상 가장 단단한 물질과 그래핀은 모두 탄소(C) 원자로만 이뤄져있다는 공통점이 있다. 대신 그래핀은 탄소원자가 육각형 벌집모양을 이룬 평면물질이고, 다이아몬드는 탄소원자가 정사면체 형태로 이뤄져 있다는 차이가 있다.

그래핀(왼쪽)과 다이아몬드의 분자구조. 같은 탄소원자로 이뤄져 있지만 결합의 형태가 다르다는 차이가 있다.
▲ 그래핀(왼쪽)과 다이아몬드의 분자구조. 같은 탄소원자로 이뤄져 있지만 결합의 형태가 다르다는 차이가 있다.

만약 다이아몬드를 그래핀과 같은 평면 형태로 만든다면, 다이아몬드의 높은 열전도성 및 기계적 강도와 같은 우수한 물성을 여러 분야에 응용할 수 있다. 문제는 평면구조의 다이아몬드를 만들기 위해서는 고압 환경이 필요해 제조비용이 비싸고, 상온·대기압 환경에서 안정적으로 구조를 유지하지 못한다는 것이었다.

IBS 연구진은 구리니켈 합금기판 위에 2층의 그래핀을 만든 다음 불소기체를 주입하는 비교적 간단한 방법으로 초박막 다이아몬드를 만드는데 성공했다. 불소(F)를 주입했다는 의미에서 이 다이아몬드에 ‘F-다이아메인’이라는 이름을 붙였다. F-다이아메인은 상온에서 제조되며 대기압에서도 안정적인 상태를 유지한다.

연구진은 구리니켈 기판 위에서 이중층 그래핀을 합성하고, 불소 처리를 통해 초박막 다이아몬드(F-다이아메인)를 합성했다.
▲ 연구진은 구리니켈 기판 위에서 이중층 그래핀을 합성하고, 불소 처리를 통해 초박막 다이아몬드(F-다이아메인)를 합성했다.

로드니 루오프 단장은 “유사 다이아몬드 구조체 합성을 통해 다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 사용할 수 있는 길을 연 것”이라며 “향후 전기‧기계‧화학 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 12월 10일 온라인 판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

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    최종수정일 2019-12-17 14:32