합성 다이아몬드가
탄생한 지 70년이 넘었다. 역사적으로 합성 다이아몬드는
경도와 강도가 높아 (자동차, 항공 우주 산업용 드릴 및
연마 기구 등) 공업용 목적에 적합했다.
하지만 다이아몬드 생산 기술의 발전 (특히 CVD 기술) 덕분에
현재 과학자들은 합성 다이아몬드를 보다 복잡한 용도로 사용할 수 있게 됐다. 열 냉각 솔루션, 리미트리스 배터리, 퀀텀 그레이드 컴퓨터 등이 그 예다. 특히 CVD 합성 방식 덕분에 합성 다이아몬드 제조업체들은 다이아몬드의
탄소 격자 구조의 결함을 나노 단위로 통제할 수 있게 됐다.
드비어스 산하 합성 다이아몬드 및 슈퍼 소재 제조업체 엘레먼트
식스의 최고기술책임자 다니엘 트위첸은 “덕분에 신규 업체들은 양자의 특성을 활용한 새로운 수준의 센서와
통신 보안을 개발할 수 있게 됐다.”라고 말했다.
행운의 결함
15여 년 전, 연구원들은
희소한 천연 다이아몬드가 가지고 있는 특정한 결함(예를 들어 질소 공백(nitrogen-vacancy) 센터)들이 뛰어난 양자 속성을 가지고
있다는 사실을 발견했다. 엘레먼트 식스는 이와 같은 정밀한 양자 결함이 집중적으로 존재하는 랩 그로운
다이아몬드를 생산한다. 이러한 종류의 다이아몬드를 필요로 하는 업체들을 위해서다. 예를 들어 텔레콤 업체, 의료용 진단 기구 업체, 수중에 존재하는 유기 폐기물 처리에 쓰이는 산화 셀 생산 업체 등이다.
트위첸은 “엘레먼트
식스의 최신 상품 DNV-B14는 상온에서 통제 및 조정이 가능한 타입의 다이아몬드다. 이를 통해 양자의 얽힘(entanglement)과 중첩(superposition) 원리 등 양자역학의 특이한 속성을 이용하는 것이 가능하다.”라고 말했다.
합성 다이아몬드는 다른 유용한 특성도 가지고 있다. 영국의 레이저 기술 전문업체 옵시디아의 생산 팀장 루이스 피쉬는 “다이아몬드는
매우 뛰어난 물질적 특성을 가지고 있다. 즉 은, 구리보다
열 전도율이 높고 방사능 저항성도 높다. 또한 대부분의 화학 물질에 반응하지 않는다.”라고 말했다.
옵시디아는 현재 다이아몬드를 활용한 기구 제작용 레이저를
개발 중이다. 예를 들어 이 기구를 이용해서 다이아몬드의 내부에 (다이아몬드의
화학 성분 분석용) 3D 전자 회로 배열을 조각해 넣을 수 있다.
피쉬는 “다이아몬드
센서는 힘든 화학적 환경을 견뎌낼 수 있다.”라고 말했다. 물론
희소하고, 값비싸고, 사이즈가 있는 천연 다이아몬드를 이런
종류의 실험에 사용하는 것은 실용적이지 않다. 합성 다이아몬드는 폭넓은 실험을 가능하게 한다.
새로운 종류의 배터리
랩 그로운 다이아몬드는 또한 지속 가능한 기술 부문에서도
중요한 역할을 하고 있다. 한 예를 보면, 샌프란시스코의
배터리 업체 NDB(나노 다이아몬드 배터리)의 CEO 니마 골샤리피는 “NDB의 목표는 배터리의 특성을 재정립하는
것이다. NDB의 배터리는 태양 전지와 유사한 방법으로 전기를 생성한다. 다만 태양광 대신 방사능붕괴(radioactive decay)에서
나오는 방사능을 사용한다. 때문에 NDB의 배터리는 기후에
의존하지 않으며, 중단 없이 에너지를 공급하는 것이 가능하다.”라고
말했다.
NDB의 방식에는 핵 폐기물의 잔여물을 작은 합성 다이아몬드의
내부에 가두어 여기에서 생성되는 방사선을 전화기나 자동차 동력으로 사용하는 것도 포함되어 있다. NDB는 “이 프로세스는 안전하며, 올해 안에 실물 제작이 가능할 것으로 예상된다.”라고 말했다.
주얼리 과학
NDB와 합성 다이아몬드 주얼리 업체는 활동 영역이 다르지만
두 산업 모두 지속적인 CVD 기술 개발에 기여하고 있다. 그리고
그 결과 합성 다이아몬드의 가격은 계속 하락하고 있다.
골샤리피는 “2018년에
합성 다이아몬드 제조 원가가 킬로그램당 240만 달러에서 4만
달러로 하락했다. 기술 발전 덕분에 가까운 미래에 원가가 더 낮아져서 우리의 기술이 더욱 경쟁력을 갖게
될 것이라고 생각한다“라고 말했다.
엘레먼트 식스는 공업용 다이아몬드 제조가 보석용 다이아몬드
제조와 직접적으로 연관되어 있다는 증거를 가지고 있다. 드비어스의 합성 다이아몬드 주얼리 브랜드 라이트박스는
드비어스가 엘레먼트 식스의 특허받은 CVD 제조 방식을 다이아몬드 주얼리에 적용하면서 등장한 브랜드다.
트위첸은 “불순물을
통제하고 줄이는 것은 뛰어난 양자 특성의 기본일 뿐 아니라 보석의 컬러 및 클래러티 등급을 높이는 기본이기도 하다. 다이아몬드의 핑크 컬러의 원인이 되는 결함이 동시에 뛰어난 양자 특성의 원인이기도 하다는 점이 매우 놀랍다.”라고 말했다. 이러한 결함을 활용해서 의료, 보안, 엔터테인먼트 분야에서 혁신적인 발전을 이루는 것도 가능할
것이다. 또한 이를 통해 다양한 컬러의 랩 그로운 다이아몬드 주얼리를 대량 생산하는 방법을 개발할 수도
있을 것이다. 트위첸이 다이아몬드를 ‘궁극적인 슈퍼 소재’라고 부르는 것은 어쩌면 당연한 일이다.
/ 라파포트 뉴스
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