차세대 소재로 주목받고 있는 고순도 나노다이아몬드를 플라즈마를 이용해 기존보다 빠르게 저비용으로 정제 가능한 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 화제다.

국가핵융합연구소(소장 김기만)는 14일 군산에 자리한 플라즈마기술연구센터의 홍승표 선임연구원과 김태환 학생연구원, 이승환 선임연구원이 공동으로 플라즈마를 이용한 고순도 나노다이아몬드 정제기술을 개발했다고 밝혔다.  

나노다이아몬드는 높은 경도와 화학적 안정성, 높은 열전도도 등의 특징을 지니고 있어 표면 강도를 높이는 코팅이나 자동차 윤활유, 연마제, 화장품 등 다양한 산업 분야에 활용 가능한 차세대 소재이다.  

기존에는 나노다이아몬드 생성을 위해 흑연을 폭발물과 혼합한 뒤 터트려 제조하는 방식을 이용했다. 

하지만, 이 방법은 폭발 시 발생하는 불순물을 제거하기 위한 별도 화학처리 작업을 필요로 해 높은 정제비용과 폐기물 처리 등의 문제가 있었다.

또한 낮은 순도 때문에 다른 소재와 반응도가 떨어져 만들 수 있는 응용제품에도 한계가 있었다.

이를 보완하기 위해 개발된 공기 산화에 의한 생성법 역시 처리시간이 5~48시간으로 오래 걸린다는 단점이 있었다.   

반면 핵융합(연)이 개발한 나노다이아몬드 정제 기술은 플라즈마를 이용하여 다이아몬드가 함유하고 있는 불순물을 선택적으로 제거할 수 있어, 보다 빠르고 간편하게 고순도 다이아몬드를 정제할 수 있다. 

이 기술은 저순도의 나노다이아몬드 분말에 플라즈마젯이라 불리는 가느다란 플라즈마를 쏘이면, 플라즈마에서 나오는 활성 산소가 나노다이아몬드의 불순물을 선택적으로 제거하여 고순도 다이아몬드 분말로 정제되는 방식이다. 

이는 기존의 화학적 정제방법에서 야기되는 고비용과 화학폐기물 처리 문제 등이 없어 저비용으로 빠른 시간에 친환경적인 방법으로 고순도 다이아몬드 정제가 가능한 것이 특징이다. 특히, 플라즈마젯을 이용한 정제기술은 필요한 부분만 선택하여 직접적으로 정제가 가능해, 원하는 형태의 고순도 다이아몬드 패턴을 형성할 수 있다는 점이 혁신적이다. 

이는 반도체 등 마이크로디바이스 (micro device)산업 분야에서 필요한 히트싱크(heat sink)2)로 적용될 수 있어 다양한 분야에서 관심을 보일 것으로 예상하고 있다. 

핵융합(연) 김기만 소장은 “현재 세계 나노다이아몬드 분말 시장은 약 1,700억원 규모이며, 응용제품 시장 금액 규모는 1조 6247억원 규모에 달한다”며, “향후 플라즈마 기반의 저비용 나노다이아몬드 정제 기술 상용화 연구를 통해 국내 나노다이아몬드 시장의 세계적 경쟁력 강화에 기여할 수 있도록 하겠다”고 밝혔다. 

이번 연구 결과는 지난 2월 말 재료분야의 세계적 학술지인 ‘카본(Carbon, 5 year impact factor: 6.832)’에 게재됐다.

핵융합(연)은 이번 연구 결과를 바탕으로 상용화 기술 개발을 진행하여, 향후 기업에 기술 이전을 통해 산업적 활용이 가능하도록 할 예정이다. 

한편, 플라즈마는 고체, 액체, 기체가 아닌 물질의 4번째 상태로 불리며, 반도체, 디스플레이, 에너지, 환경, 농식품, 신소재, 의료 등 다양한 산업 분야에 기반기술로 활용되고 있다. 

/군산=문정곤 기자