희소성 때문에 부의 상징으로 더욱 빛나는 최고의 보석‘다이아몬드’. 한국과학기술연구원의 백영준 박사에게는 그리스어로 ‘정복할 수 없다’는 의미인 ‘아마다스(Amadas)’에서 유래한 다이아몬드가 아름다움뿐 아니라 아주 깊은 의미까지 갖고 있다. 다이아몬드에 대한 그의 시각은 다양한 ‘산업용 소재’. 다이아몬드 재료는 가지고 있는 특성 때문에 산업적으로 매우 가치가 크다. 탁월하게 높은 경도(硬度)와 기존의 소재보다도 4배 이상 큰 열전도도, 매우 넓은 파장범위에서의 광투과도, 우수한 반도체 특성 등은 차세대 소재로서 다양한 산업적 필요에 부응할 수 있기 때문이다.
다이아몬드는 특히 각종 기계부품에 들어가는 필수적인 절삭공구에 상당히 유용하게 이용된다. 이뿐 아니다. 통신 및 컴퓨터의 고출력 소자의 패키징 기판과 고온 고출력 반도체 센서 등의 전자부품, 위성통신용 마이크로웨이브나 적외선 투과용 광학(光學)창 등 다이아몬드는 가지고 있는 귀한 가치에 걸맞게 산업적으로 널리 사용될 수도 있다. 선진국들은 다이아몬드가 가지고 있는 산업적 가치 때문에 다이아몬드 합성법인 아크제트 화학증착법이나 마이크로웨이브 플라즈마 화학증착법 등에 앞다투어 열을 올리고 있다. 그러나 가장 핵심적인 것은 어떻게 저렴한 가격으로 다이아몬드를 합성하는가 하는 것.
세계 최초 직류 전원 「화학증착법」 개발
백영준 박사는 이러한 현실을 감안, 다이아몬드 기상합성분야의 불모지인 국내에서 폭이 10cm나 되는 대(大)면적 다이아몬드를 합성할 수 있는 직류전원 플라즈마 화학증착법(DC-PACVD)을 세계 최초로 개발해 국내 다이아몬드 기상합성기술의 기틀을 확보함은 물론 이 기술을 세계적 수준으로 끌어올렸다. DC-PACVD 합성기술은 직류전원을 이용해 다이아몬드를 만드는 것으로 다른 종류의 합성법에 비해 가격과 특성 면에서 월등한 장점을 가지고 있으며 공정이 간단하고, 이전보다 훨씬 단단하고 큰 다이아몬드를 만들수 있는 신기술이다. 따라서 본격적으로 시장이 활성화되면 관련산업에 미치는 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
「이달의 과학기술자상」 심사위원들도 백영준 박사의 신기술이 산업적 파급력이 큰 것을 높이 평가했다. 백 박사는 이번 연구성과를 바탕으로 합성 다이아몬드 분야의 원천 및 응용기술에서 파일럿 연구까지 일괄적인 연구개발을 추진, 국내는 물론 국제적으로 확고한 연구개발 입지를 확보하는 큰 성과를 이루어냈다. 백 박사는 현재 다이아몬드로 반도체를 만드는 연구도 진행하고 있다. 현재 가장 많이 쓰이는 실리콘 반도체도 연구가 시작된 지 20년만에 상용화된 것을 고려하면 다이아몬드 반도체도 불가능한 것만은 아니다.
백 박사는 “가장 큰 과제는 단결정을 얻는 것이며 10∼20년 후엔 다이아몬드 반도체를 볼 수 있을 것”이라고 말했다. 백 박사의 기술은 미국의 각종 특허를 획득했거나 출원중이며 세계가 인정하고 있다. 영국의 드비어스사와 미국의 다이아모넥스, SP3사 등은 백 박사의 연구결과에 상당한 관심을 가지고 있다. 백 박사는 다이아몬드 제조공정의 기술을 국내의 일진다이아몬드라는 회사에 이전한 상태다.
차세대 소재 다이아몬드
많은 사람들에게 사랑을 받고 있는 최고의 보석 다이아몬드는 그리스 시대로부터 ‘사랑’이라는 상징으로 여겨져 왔다. 이 당시에는 어떠한 원석을 가지고도 가공할 방법이 없어 단지 반짝이는 윤기만이 나 있는 결정상태 그대로였다. 따라서 깨지지 않는 사랑의 의미로 혼인 등에 널리 이용되기도 했다. 다이아몬드는 또한 힘과 용기를 상징했다. 때문에 유럽에서는 15세기까지 왕만이 다이아몬드를 착용했다.
다이아몬드는 순수한 탄소(99.95∼99.98%)덩어리다. 탄소가 땅속 깊숙한 곳에서 상당한 압력과 열을 받아 다이아몬드로 바뀌는 것이다. 흑연도 탄소덩어리지만 결정형태의 차이때문에 하나는 다이아몬드로, 다른 하나는 흑연이 되는 것이다. 미량의 불순물은 다이아몬드의 색깔을 결정한다. 질소를 함유할 때는 옅은 황색으로, 붕소가 함유될 때는 청색이 된다. 청색을 띠는 다이아몬드는 전기전도성을 띠기도 한다. 다이아몬드의 주요 생산국가는 브라질과 남아프리카 공화국, 레소토, 앙골라, 호주 등으로 생산국에서조차 엄청 귀하다. 중앙아프리카에서는 1캐럿의 다이아몬드를 캐기 위해 25톤의 자갈과 바위를 캐내야 할 정도다.
백영준 박사는 대면적의 인공 다이아몬드를 만들기 위해 천연환경과 유사한 환경을 만들었다. 진공의 용기 속에 메탄 같은 탄소화합물 가스를 넣은 뒤 에너지를 가해 다이아몬드를 만들어내는 방법이다. 에너지를 받은 탄소화합물은 플라즈마 상태로 변하고 천천히 바닥에 쌓여 다이아몬드가 된다. 전기전도성을 띠는 물질도 있어 다이아몬드는 향후 반도체로도 이용될 가치가 매우 크다.
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