다이아몬드는 최고의 보석이자 최강의 재료다. 지상에서 가장 단단하고, 투명하며, 열전도성도 최고 수준을 자랑한다. 한 가지 약점이 있다면 ‘유연성’이 떨어진다는 것인데, 최근 UNIST와 홍콩시립대, 난양공대, MIT 공동연구진이 이를 보완할 방법을 찾아냈다.
펑 딩(Feng Ding) 신소재공학부(School of Materials Science and Engineering) 특훈교수 공동연구팀은 20일자 사이언스(Science)에 ‘나노 다이아몬드가 탄성을 가질 수 있다’는 연구결과를 발표했다. 연구진이 제작한 바늘 형태의 나노 다이아몬드는 최대 9%까지 늘려도 부러지지 않았고, 힘을 거두면 원래대로 되돌아왔다. ‘다이아몬드는 잘 부러지는 물질’이라는 기존 관념을 완전히 뒤집은 것이다.
다이아몬드가 휘어지는 장면. | 이미지 출처: MIT
다이아몬드 속 결함 없어야 유연해진다!
기존 기록에 따르면, 다이아몬드는 0.1~1%만 늘리려 잡아당겨도 쉽게 깨진다. 연구진은 그 원인을 찾아 어떻게 하면 다이아몬드를 고무처럼 늘릴 수 있을지 찾는 데 집중했다. 이 프로젝트에서 펑 딩 교수팀은 다이아몬드의 결정구조 분석과 화학적인 계산을 맡아 다이아몬드가 탄성력이 부족한 건 ‘결함(defects)’ 때문이라는 걸 알아냈다.
펑 딩 교수는 “자연 상태의 다이아몬드뿐 아니라 합성해서 얻은 다이아몬드들은 대부분 결정 구조 안에 결함을 가지게 된다”며 “이들 결함에 충격이 모이면 쉽게 금이 가고 결국은 깨지게 되는 것”이라고 설명했다.
딩 교수팀은 결함 없이 깨끗한 다이아몬드 결정은 얼마나 늘릴 수 있는지 컴퓨터 시뮬레이션(DFT, Density Functional Theory)을 통해 계산했다. 그 결과 순수한 다이아몬드 결정은 최대 12%까지 늘려도 부러지지 않는다는 답을 얻었다.
나노 크기의 다이아몬드에 힘을 줘서 휘어지도록 만든 장면을 촬영했다. 펑 딩 교수 연구진은 다이아몬드가 이론적으로 얼마까지 늘어날 수 있는지 계산했다.
9%까지 늘어난 나노 다이아몬드 바늘
홍콩시립대 연구진은 순수한 다이아몬드 결정을 제작해 다이아몬드를 구부리는 실험에 성공했다. 이들은 화학기상증착(CVD) 공정으로 다이아몬드를 합성하고, 플라즈마를 이용해 결함이 있는 부분을 깎아냈다. 그 결과 300나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 길이의 아주 얇은 바늘 모양이 만들어졌다. 이렇게 만들어진 나노 다이아몬드는 결함 없이 순수한 단일 결정이었다.
홍콩 연구진은 나노 다이아몬드를 누르면서 주사전자현미경(SEM)으로 관찰했다. 그러자 나노 다이아몬드가 약 30도까지 휘면서 최대 9%까지 늘어났다가 되돌아오는 모습이 포착됐다. 이론적으로 계산한 다이아몬드의 탄성력에 거의 근접한 결과다.
펑 딩 교수는 “매우 딱딱하면서도 유연한 물질은 다양한 나노 장치에 꼭 필요한 재료가 될 것”이라며 “다이아몬드가 탄성까지 가지면 세상을 바꾸는 재료가 될지 모른다”고 밝혔다.
홍콩 연구진이 제작한 나노 크기의 다이아몬드 바늘과 여기에 힘을 주는 모습(A, B, C), 부러진 나노 다이아몬드의 단면은 부드러운 형태다(D, E).
현재 다이아몬드는 단단한 특성 덕분에 절삭공구에 활용되며 기계장치를 깎는 데 쓰인다. 또 열전도율이 뛰어나 반도체나 광통신 소자에서 열 방출을 돕 열방산체(thermal spreader)로도 활용된다. 또 극한 환경에서도 변성되지 않아 우주선의 창(window)을 만드는 데도 사용된다. 이번 연구로 다이아몬드가 탄성력까지 갖출 수 있다는 게 밝혀지면서 다이아몬드의 적용 분야는 더 늘어날 전망이다.
연구진은 견고하고 유연한 초미세 다이아몬드 바늘은 유전자나 약물을 세포로 옮기는 데 활용할 수 있을 것이라고 예상했다. 펑 딩 교수도 탄성을 가진 다이아몬드 재료는 미래에 유연한 디스플레이에 활용하는 방향도 생각해볼 수 있다고 밝혔다.
펑 딩(Feng Ding) 교수와 지첸 동(Jichen Dong) 박사가 이번 논문 게재를 기념해 사진을 촬영했다. 지첸 동 박사의 손에 다이아몬드 결정 구조가 들려 있다. | 사진: 김경채
한편 펑 딩 교수는 2017년 1월 UNIST 신소재공학부(School of Materials Science and Engineering)로 부임했다. 현재 기초과학연구원 다차원탄소재료연구단(IBS CENTER FOR MULTIDIMENSIONAL CARBON MATERIALS)에서 그룹리더를 겸직하며, 그래핀과 탄소나노튜브, 다이아몬드 등을 비롯한 다양한 탄소재료를 연구하고 있다.
딩 교수는 “탄소는 자연계를 구성하는 기본적인 원소이자 잠재력이 큰 재료”라며 “인류가 다양한 분야에서 탄소를 유용한 재료로 활용할 수 있는 기초를 마련 중”이라고 전했다. 그는 이어 “UNIST와 IBS의 풍부한 지원과 유연한 연구 환경 덕분에 자유롭게 또 만족스럽게 연구하고 있다”고 밝혔다.
