나노 다이아몬드 제조 방법 및 그 특성 소개

나노 다이아몬드는 제조 과정에서 다른 나노 입자들과 마찬가지로 bottom-up 방식과 top-down 방식 두 가지로 나눌 수 있습니다.

그중 폭발법으로 제조된 나노 다이아몬드는 bottom up 방식의 대표적인 예로, 외형은 연마법으로 만든 다이아몬드보다 더 둥글지만, 각이 도드라지지는 않습니다. 외관은 팝콘과 비슷하며, 표면은 다공성 특성을 가져 매우 큰 비표면적을 지니고 있어 윤활유 첨가제, 의약용 전달체, 나노미터급 연마재 등 다양한 산업 분야에 활용될 수 있습니다. 과거에는 다이아몬드가 고가의 보석으로 여겨졌지만, 오늘날 기술 발전을 통해 천연 다이아몬드에서 실험실 생산 다이아몬드, 나아가 산업용 대량 생산 다이아몬드까지 가능해졌으며, 가격 또한 훨씬 대중적이고 인도주의적 가치를 지닌 재료로 자리잡고 있습니다.

나노 다이아몬드의 제조 방법은 여러 가지가 있지만, 다양한 방식들 모두를 미시적인 관점에서 보면 고온·고압 조건에서 유래된다는 공통점이 있습니다. 아래에 그 예를 들어보면:

1.지하 지질 환경을 모사한 양면 앤빌 또는 육면 앤빌 고온고압 장비를 사용하는 방식

2.기상 증착법(CVD): 기본적으로 CVD 방식은 메탄 기체를 분자 간 고속 충돌시켜, 탄소 주변의 수소 4개를 탄소로 치환한 뒤, 기판 위에 층층이 증착시켜 성장시키는 방식입니다. 미시적 구조에서 보면 이 고속 충돌이 곧 고온·고압 환경을 형성하여 다이아몬드를 생성하게 됩니다.

3.폭발법: 밀폐된 공간에서 TNT 또는 NTX 등의 폭약을 폭발시켜 순간적으로 산소 결핍 상태를 유도함으로써, 폭약 속의 흑연을 다이아몬드로 전환하는 방식입니다. 폭발 직후 압력은 급격히 사라지지만 온도는 여전히 매우 높기 때문에, 다이아몬드가 다시 흑연으로 전환되지 않도록 즉시 급속 냉각 처리를 해야 합니다.

4.음파법: 화학기상증착(CVD) 공정 중에 초음속 진동을 도입하여 다이아몬드 합성을 실현하는 방식입니다.

위에서 언급한 모든 제조 방식 중에서 폭발법으로 얻은 나노 다이아몬드가 가장 높은 생산 효율을 자랑합니다.
폭발법으로 생산된 나노 다이아몬드는 특별한 특징이 있는데, 바로 막 생성된 나노 다이아몬드의 표면이 약 40%의 탄소층으로 덮여 있다는 점입니다. 이는 다이아몬드가 고온 상태에서 압력을 잃게 되면 흑연으로 전환되기 때문입니다. 이러한 막 생성되어 아직 강산·강알칼리로 세척되지 않은 나노 다이아몬드는 “나노 다이아몬드 흑색 파우더”이라고 불립니다. 그리고 이 강하게 결합된 탄소층 덕분에, 나노 다이아몬드의 표면에는 다양한 관능기가 형성되어 있어 기능성이 더욱 뛰어납니다.

흑연이라는 예상치 못한 부담을 제거하기 전, 과학적으로 이 흑색 파우더층이 오히려 다양한 용도를 지닌다는 사실이 밝혀졌습니다. 예를 들어 고무 첨가제, 윤활유 첨가제 등으로 활용되며, 이 흑색 파우더를 사용하는 효과는 탄소층이 제거된 회색 파우더를 사용할 때보다 훨씬 뛰어난 것으로 나타났습니다.

그렇다면 나노 다이아몬드 회색 파우더는 무엇일까요? 이는 흑색 파우더의 외부 탄소층이 강산·강알칼리로 세척되어 제거된 후의 상태를 말합니다. 이 과정을 거치면 나노 다이아몬드는 회흑색을 띠게 되며, 이때 비로소 입도 분급 처리가 가능해지고 다이아몬드의 순도는 99% 이상으로 상승합니다. 이 상태의 나노 다이아몬드를 우리는 나노 다이아몬드 회색 파우더 이라고 부릅니다. 회색 파우더는 주로 연마·폴리싱 분야에 사용되며, 또한 의료용 표적 치료에서 사용하는 나노 다이아몬드 전달체로도 널리 활용됩니다.

그러니 앞으로 다이아몬드 흑색 파우더 또는 회색 파우더 이라는 말을 들으면, 그 정의와 용도상의 차이를 잘 이해하실 수 있을 거예요.

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