가장 저렴한 재료(흑연)으로 '세상에서 가장 얇은 다이아몬드'

국내 기초과학연구원(IBS)과 울산과학기술원(UNIST)은 

가장 저렴한 재료인 흑연으로 ‘세상에서 가장 얇은 다이아몬드’를 만드는 데 성공했습니다. 

 

얇은 다이아몬드 박막은 반도체 소자는 물론 전기, 화학, 기계 분야에서

폭넓게 이용될 수 있으며, 반도체의 열을 쉽게 뽑아낼 새 전자소재를 만드는 데 활용할 수 있을 것으로 보입니다.

 

F-다이아메인 구조

기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단, 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부, 신소재 공학부, 화학과 공동연구팀은 

간단한 화학공정만으로도 흑연의 한 층을 얇게 벗겨 낸 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변환시키는 데 성공했습니다.

탄소 물질인 그래핀을 가공해 0.5㎚, 즉 20억분의 1m 두께로 

얇은 ‘F-다이아메인’이란 이름의 다이아몬드를 제조했습니다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 실렸습니다.

 

꿈의 신소재로 불리는 그래핀은 흑연의 한 층을 얇게 벗겨 낸 물질이며 

다이아몬드는 지구상 가장 단단한 물질이지만 

이들은 모두 탄소 원자로만 이뤄져 있다는 공통점이 있습니다. 

대신 그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양을 이룬 평면 형태이고 

다이아몬드는 탄소 원자가 정사면체 형태로 이뤄져 있다는 차이점이 있습니다.

다이아몬드는 열전도성이 뛰어나고 기계적 강도(표면의 딱딱한 정도)가 우수하지만

전기가 통하지 않고 그래핀처럼 쉽게 휘어지지 않습니다.

 

이 때문에 많은 연구자들이 다이아몬드를 그래핀처럼 평면 구조로 만들려는 시도를 해 왔습니다.

얇으면 더 많은 용도로 쓸 수 있지만,

일종의 덩어리 형태여서 얇게 만들기가 어려워 그동안 한계에 부딪혔습니다. 

 

문제는 얇은 평면 구조의 다이아몬드(다이아 메인)를 제조하려면

고압 환경을 만들어야 하기 때문에 제조 비용이 많이 들고 수율도 높지 않다는 것입니다.

기존 연구들이 지질학적 과정을 재연하듯,

대략 2000도의 온도를 사용해 얇은 다이아몬드를 만드느라 많은 비용을 소비했습니다.

 

연구진은 25도 상온에서 불소를 주입해

얇은 2차원 물질인 그래핀의 탄소 결합 형태를 다이아몬드로 바꾸는 방법을 고안해냈습니다.

 

‘F다이아메인’으로 이름 붙여진 이번 초박형 다이아몬드의 두께는

0.5㎚(나노미터)에 불과합니다.

또 기존 공정과 달리 고압 환경이 필요하지 않아 제조 비용도 대폭 줄일 수 있는 것으로 확인됐습니다.

 

반도체에서 발생하는 열은 컴퓨터의 성능을 제한하는 가장 큰 장애물인데요.
‘F-다이아메인’을 반도체 소자에 넣을 경우 열을 효과적으로 뽑아내는 

초소형 방열판 역할을 할 수 있을 것으로 기대됩니다.