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201703.16

다이아몬드의 극적인 변신 - 플라즈마를 이용한 고순도 나노다이아몬드 정제 기술 개발 성공

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/658

 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터는 차세대 소재로 주목받고 있는 나노다이아몬드를 물질의 네 번째 상태로 알려져 있는 플라즈마를 이용해 기존보다 빠르게 저비용으로 고순도로 정제하는 기술을 개발하는데 성공했습니다.

 나노다이아몬드란 나노 사이즈의 다이아몬드로 높은 경도와 화학적 안정성, 높은 열전도도 등의 특징을 지니고 있어, 표면 강도를 높이는 코팅이나 자동차 윤활유, 연마제, 화장품 등 다양한 산업 분야에서 활용이 가능한 차세대 소재입니다.

 기존에는 나노다이아몬드를 생성하기 위해서 흑연을 폭발물과 혼합하여 터트리는 ‘폭발법’을 사용하였는데, 이 방법은 폭발 시에 발생하는 불순물들을 제거하기 위한 별도의 화학처리 작업이 필요하여 높은 비용과 폐기물 처리라는 문제가 있었습니다. 또한, 낮은 순도 때문에 다른 소재와 반응도가 떨어져 응용제품 개발에도 한계가 있었습니다.

 이러한 문제점을 해결하고자 공기산화를 이용한 새로운 정제 기술이 개발되었지만 이 역시 처리 시간(5~48시간)이 오래 걸린다는 단점 때문에 활용하는데 한계가 있었습니다.

 반면 이번에 핵융합(연)에서 개발한 플라즈마를 이용한 나노다이아몬드 정제기술은 다이아몬드가 함유하고 있는 불순물을 선택적으로 직접 제거할 수 있어, 기존 방법에 비해 매우 빠르고 간편하게 고순도 나노다이아몬드를 정제할 수 있습니다.

 

<플라즈마를 이용한 나노다이아몬드의 정제과정 개략도> 

 

 방법 역시 간단합니다. 먼저 불순물이 섞여있는 저순도 나노다이아몬드 분말을 압착한 후 플라즈마를 쏘여주면, 플라즈마의 활성 산소가 나노다이아몬드의 불순물을 제거해 주어 고순도의 나노다이아몬드로 재탄생하게 됩니다.

 특히 플라즈마를 이용한 정제기술은 필요한 부분만 선택하여 정제가 가능하기 때문에, 원하는 형태의 고순도 나노다이아몬드 패턴을 형성할 수 있다는 점이 혁신적입니다. 이는 반도체와 같은 마이크로디바이스 산업 분야에서 방열체로 사용되는 히트싱크(heat sink)에도 적용될 수 있어 다양한 첨단산업 분야에서 관심을 보일 것으로 예상됩니다.

 이번 연구성과의 공동 연구자인 플라즈마기술연구센터의 홍승표 선임연구원과 김태환 학생연구원, 이승환 선임연구원의 연구 논문은 지난 2월 재료분야의 세계적 학술지인 ‘카본(Carbon)’ 저널에 게재되어 학계의 주목을 받기도 하였습니다.

 

<왼쪽부터 홍승표 선임연구원, 이승환 선임연구원, 김태환 학생연구원>

 

 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 밝혔습니다.

 이미 다양한 산업 분야에서 활발하게 활용되고 있는 플라즈마가 나노다이아몬드 정제 분야에서도 새로운 성과를 보여줌으로써, 플라즈마의 무궁무진한 가능성을 다시 한 번 확인할 수 있었습니다.

 앞으로도 최첨단 산업, 농식품, 환경, 의료, 미용 등 우리의 생활 곳곳에서 활약하는 플라즈마 응용기술을 관심있게 지켜봐주시기 바랍니다.

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