그래핀과 다이아몬드는 모두 탄소(C) 원자로만 이뤄져 있지만, 원자의 결합 형태가 달라 서로 다른 물질의 특성을 지닌다. 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변신시킬 경우, 반도체 소자를 비롯해 전기, 기계, 화학 분야에 폭넓게 활용될 수 있어 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 여러 난제에 가로막혀 상용화에 이르진 못했는데 IBS 연구진이 이를 실현해냈다.

그래핀은 탄소 원자가 주변 탄소 원자 3개와 결합해 육각형 벌집 모양을 이룬 2차원 소재다. 눈으로 볼 수 없을 만큼 매우 얇고 투명하다. 그래핀은 강도가 세고, 열 전도성이 높을 뿐만 아니라 전자 이동도 빨라 꿈의 나노 물질로 불린다. 2차원 물질이기 때문에 자유자재로 휘어지기도 한다. 

다이아몬드는 중심에 있는 탄소 원자 1개가 주변 4개의 탄소 원자와 결합해 만든 정사면체가 상하, 좌우로 끊임없이 반복되는 구조다. 흔히 다이아몬드를 떠올리면 생각나는 3차원 삼각형 모습을 생각하면 쉽다. 다이아몬드는 뛰어난 열 전도성과 기계적 강도를 지녔지만, 전기가 통하지 않고 쉽게 휘어지지 않는다. 

그동안 그래핀을 다이아몬드 박막으로 변신시키려는 연구는 활발히 진행됐다. 이른바 다이아메인(Diamane)을 합성하려는 연구가 등장했지만 상용화에 이르진 못했다. 결합구조를 변화시키는 과정에서 높은 압력이 필요하고, 제조 비용이 많이 들어서다. 물질 압력이 낮아질 경우 다시 그래핀으로 돌아가는 등 물질 안정성을 유지하지 못했다.

연구진은 이중 층 그래핀으로 대기압에서도 안정적인 다이아메인을 합성하는 데 성공했다. 공정은 상온·저압 조건에서 화학적 처리만을 거쳐 다이아메인을 합성할 수 있어 기존보다 고압이 덜 필요하다. 공정 특성상 기존 기술 대비 제조 비용을 대폭 줄일 수 있는 장점을 지닌다. 

파벨 바카레브 연구위원은 "다층 그래핀을 다이아메인으로 변환시키기 위한 연구가 많이 보고됐지만, 제조 과정이 복잡하거나 구조에 결함이 있는 경우가 많았다"며 "연구진은 불소(F)를 주입하는 과정을 통해 간단히 그래핀의 탄소결합을 다이아몬드와 같은 결합 형태로 바꿨다"고 설명했다. 

연구진은 화학기상증착법(CVD)을 이용해 구리니켈(CuNi) 합금 기판 위에서 이중 층 그래핀을 제작한 뒤 불소 기체를 주입했다. 주입된 불소는 그래핀과 화학 반응을 일으키며 탄소결합이 생기도록 유도한다. 주변 3개의 원자와 결합하던 탄소가 4개의 주변 원자와 결합하게 되고, 최종적으로 필름 형태의 다이아몬드가 만들어질 수 있었다. 연구진은 불소(F)화 과정을 통해 합성했다는 의미에서 초박형 다이아몬드를 'F-다이아메인'으로 명명했다. F-다이아메인 두께는 0.5나노미터에 불과하다. 

로드니 루오프 단장은 "유사 다이아몬드 구조체 합성을 통해 다이아몬드의 우수한 물성을 다양한 분야에 사용할 수 있는 길을 열었다"며 "향후 전기적·기계적 특성까지 조절할 수 있는 대면적 단결정 다이아몬드 필름을 구현하는 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 12월 10일(한국 시각) 온라인판에 실렸다.