"갑옷보다 강하고 단단하다"… 中, 깨지지 않는 ‘초경도’ 다이아몬드 개발

지구상에서 가장 단단하지만, 유리처럼 쉽게 깨지는 아킬레스건을 가졌던 다이아몬드의 한계를 완벽히 극복한 초신소재가 중국 연구진에 의해 개발되었다. 망치로 강력한 타격을 가해도 깨지지 않으면서 전설적인 경도를 그대로 유지하는 독자적 결정 구조가 완성된 것이다.
8월 11일(현지시각) 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP) 보도에 따르면, 중국과학원(CAS) 물리학연구소와 베이항대학교 공동 연구팀은 국제 학술지 '네이처 합성(Nature Synthesis)' 최신호에 '탄소 나노튜브 기반 3차원 네트워크 구조를 결합한 깨지지 않는 초경도 다이아몬드 복합재' 개발 논문을 게재했다.


다이아몬드는 경도(Hardness)가 가장 높지만, 충격 흡수력인 인성(Toughness)이 낮아 취성(Glass-like Brittleness) 파괴가 쉽게 일어나는 구조적 한계를 안고 있었다. 기존 물질 과학에서는 경도를 올리면 인성이 떨어지는 상쇄(Trade-off) 관계가 당연하게 여겨져 왔다.
연구진은 사람 머리카락 두께의 1만 분의 1에 불과하지만, 강철보다 수십 배 강한 초강력 '다벽 탄소 나노튜브(MWCNT)'를 활용해 다이아몬드 내부를 지탱하는 3차원 골격 구조를 만들었다.

과거에는 나노튜브와 다이아몬드 파우더가 단순 물리적으로만 접촉해 하중을 제대로 분산하지 못했다. 연구진은 미세 다이아몬드 가루와 나노튜브를 균일하게 혼합한 후, 섭씨 2,000도의 초고온과 대기압의 15만 배에 달하는 15기가파스칼(GPa)의 극단적 압력을 가하는 고온·고압 합성 공정을 적용했다.

이 절묘한 압력 조건 덕분에 나노튜브가 다이아몬드나 흑연으로 변형되지 않은 채 섬유 형태를 유지하면서, 다이아몬드 입자들과 원자 수준에서 견고한 화학 결합을 형성했다. 마치 건물 구조의 '철근 콘크리트'처럼 나노튜브가 다이아몬드 입자 사이를 3D 네트워크로 엮어낸 것이다.


전자현미경 관찰 결과, 충격이나 균열이 발생했을 때 기존 다이아몬드는 유리처럼 균열이 일직선으로 관통하며 파괴되었다. 반면 이번에 개발된 복합 소재는 사방으로 얽힌 나노튜브 '밧줄'들이 균열을 우회·굴절시키고 에너지를 당겨 흡수함으로써 파괴를 완벽히 방지했다.
경도(Hardness)는 약 91.6 GPa를 기록하여 천연 단결정 다이아몬드 수준의 초경도를 그대로 유지했다.

파괴 인성이 36.4 MPa.m¹/²까지 치솟아 기존 다이아몬드 대비 6배, 장갑 관통탄에 쓰이는 고강도 텅스텐 합금보다 5~6배 뛰어난 충격 저항 성능을 나타냈다.

이번 연구는 베이징 화이루 과학도시의 국가 시너지 극한 조건 사용자 시설 지원을 받아 수행되었다. 연구진은 해당 초경도 복합 신소재가 금속 및 세라믹 가공용 차세대 초경질 절단 공구는 물론, 대형 지질 드릴 비트, 첨단 항공우주 부품, 방위 산업 장갑재 등 다양한 분야의 핵심 소재 지형을 바꿀 것으로 기대하고 있다.

중국 연구진의 초경도·고인성 다이아몬드 복합재 개발은, 향후 ‘글로벌 초경질 공구 및 산업용 소재 시장 내 중국의 기술 독점력 강화’와 더불어 ‘항공우주 및 첨단 기계 가공 생태계의 대대적 소재 세대교체’를 이끌 핵심 거시 과학·기술 변수로 작용할 전망이다.

신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com