다이아몬드보다 강한 유리 등장···태양전지·방탄유리 제작에 제격

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▲고온 고압 기술로 만든 합성(인조) 다이아몬드. (사진=위키피디아)

▲옌산대가 이끄는 중국 과학자 팀은 최근 다이아몬드에 깊은 흠집을 남길 수 있는 노란빛이 감도는 투명한 AM-3 유리를 공개했다. (사진=옌산대)

다이아몬드의 본질은 고온 고압에서 만들어진 (약간의 불순물이 섞인)탄소 결정체다. 오늘날 밝혀진 것은 다이아몬드가 만들어지려면 최소한 5만 기압 이상에서 상당 시간 섭씨 1000도 이상의 온도를 가해 줘야 한다는 것이다. 가공한 다이아몬드는 58개 면을 가지고 있다. 빛을 여러 곳으로 반사하면서 아름다움을 뽐낸다. 게다가 무엇보다 단단하고 내구성이 가장 강한 보석이다. ‘다이아몬드(diamond)’라는 영어 단어는 ‘무적’이라는 뜻의 그리스어 ‘adamas’에서 나왔다. 결혼식 예물용 보석으로도 널리 사용된다. 그런데 광산에서 캐낸 다이아몬드 원석 중 보석으로 통용되는 것은 극히 일부에 불과하다. 보석으로 쓰기 위해서는 가공이 필요하다. 대부분 산업용으로 쓰인다. 기계류의 단단한 금속 부품 절단, 가공 또는 미세한 알갱이나 가루로 갈아서 단단한 물체의 표면을 깎거나 광을 내는데, 혹은 드릴에 코팅해 바위를 뚫는 용도 등으로도 사용된다.

현란한 빛을 발하고 그 무엇보다도 단단하며 뛰어난 내구성을 지닌 다이아몬드가 높은 가치를 갖는 것은 당연해 보인다.

19세기 초부터 인공적으로 다이아몬드를 만들려는 노력이 이어져 왔고 이는 결국 인조(합성) 다이아몬드 개발로 이어졌다. 1953년 스웨덴 전기회사 ASEA가 처음 만들었지만 공식 발표나 특허 신청 절차가 없었고 재현하지도 못했다. 1954년 GE의 트레이시 홀이 다이아몬드를 만들었고 재현에도 성공해 공식적인 세계 최초 합성 다이아몬드로 인정받았다. 전 세계에서 사용되는 다이아몬드의 80%는 이런 합성 다이아몬드라고 한다.

▲앵글 그라인더에 박힌 인조 다이아몬드. (사진=위키피디아)

산업용으로 사용되는 이 강력한 합성 다이아몬드의 특허침해 여부를 놓고 GE와 우리나라 일진다이아몬드가 소송전까지 벌였고 지난 1994년 합의하에 소송을 마무리한 적도 있다.

최근 이 다이아몬드보다 강력한 유리가 개발돼 화제다.

중국 허베이성 소재 옌산대학(燕山大学) 연구진이 이끄는 연구팀은 최근 다이아몬드에 깊은 흠집을 남길 정도로 강한 경도를 가진 노란색 투명 유리 ‘AM-3’를 공개했다.

AM-3는 비커스 경도 테스트 결과 113기가파스칼(GPa)의 경도를 기록했다고 한다. 일반 다이아몬드 경도인 50~70GPa의 배에 이른다.

연구진은 이 유리가 다이아몬드보다 배 이상 단단하며 다이아몬드 대체품은 아니지만, 현재 모델보다 20~100% 더 강한 태양 전지와 더 튼튼한 방탄 유리창을 개발하는 데 사용될 수 있다고 말했다.

▲총 맞은 보석상의 방탄유리. (사진=위키피디아)

원재료는 역시나 탄소다. 연구진은 AM-3가 온전히 탄소로 이뤄졌으며 가열된 탄소가 천천히 냉각돼 만들어진다고 밝혔다.

연구진은 탄소로 만들어진 축구공 모양의 동소체인 풀러렌이라는 분자물질을 실험용 챔버(노)에 넣었다.

이 물질은 이러한 조건에서 다이아몬드로 변할 수도 있었다. 하지만 중국 연구 팀의 방식은 달랐다. 흥미롭게도 이들은 이 유리를 만들 때 12시간 이상에 걸쳐 서서히 노의 온도를 높였고 이후 냉각하는 데도 비슷한 정도의 시간이 들었다. 이렇게 해서 매우 단단한 유리를 만들어 낼 수 있었다고 한다.

연구를 주도한 톈용준 옌산대 교수팀은 실험실의 압력을 25GPa로, 온도를 섭씨 1200도까지 높여 황색 유리를 개발했다고 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

톈 교수팀은 중국 국립과학리뷰(National Science Review)에 발표한 연구에서 “결과적으로, AM-3 소재는 다이아몬드에 필적할 정도로 강도가 높고 지금까지 알려진 다른 가장 강한 소재보다 우수하다는 것을 입증하고 있다”고 말했다.

▲완전히 탄소로 만들어진 이 재료는 비커스 경도 테스트에서 113기가파스칼(GPa)에 도달했다. 이는 다이아몬드의 일반적 경도 50~70GPa의 두 배에 이른다. 사진은 이 강화유리로 다이아몬드를 긁은 자국이다. (사진=옌산대)

▲연구원들에 따르면 AM-3는 다이아몬드 대체품이 아니지만, 기존 모델보다 20~100% 더 강력한 태양 전지, 그리고 방탄 유리창을 개발하는 데 사용될 수 있다고 한다. 이 사진 역시 옌산대 교수팀이 개발한 초경도 유리로 다이아몬드를 긁은 자국이다. (사진=옌산대)

톈 박사는 “기술적으로 말하면 AM-3는 안에 결정이 들어있는 유리”라고 말했다.

연구진은 연구에서 “이러한 종류의 초경도, 초강력, 반도체성 비정형 물질의 출현은 가장 까다로운 실용적 응용에 필요한 탁월한 물질 후보들을 제공한다”고 썼다.

한편 앞서 지난 2016년 미국 서던캘리포니아대 과학자들은 티타늄보다 강한 철로 만든 금속 유리 형태를 만들어 냈다. 테스트 결과 SAM2X5-630으로 불리는 이 물질의 내구성은 스테인리스강보다 588배 높고 차체 겉면에 사용되는 텅스텐 카바이드 세라믹보다 2배나 강한 것으로 나타났다. 서던 캘리포니아 대학의 엔지니어인 베로니카 엘리아슨 교수는 이 물질의 특이한 화학 구조 때문에 단단하면서도 탄성이 있다고 말했다. 그녀는 발표문에서 “그것은 유리 같은 내부 구조는 거의 없지만 작은 결정화 영역을 볼 수 있다”고 말했다. 새로운 소재는 아직 초경질 유리 스크린을 만들 만큼 투명하지는 않지만 떨어뜨리면 튕기는 모바일 기기 보호 케이스를 만드는 데 활용될 수 있다. 예를 들어 아이폰 같은 많은 스마트폰에서 볼 수 있는 알루미늄 옆면과 뒷면을 교체하기 위해 이 재료를 사용하면 기기를 떨어뜨려 바닥과 충돌할 때 훨씬 강한 저항력을 갖게 된다.

이 초경도 유리는 수년 전 애플이 만들려다 실패한 스마트폰 화면 보호용 인조 다이아몬드급 유리를 떠올리게 한다.

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