고온·고압 환경에서 물질의 특성을 연구하는 것은 물리학, 재료과학, 신소재 분야 및 지구과학 등 다양한 분야에서 매우 중요하다. 이러한 극단적인 환경을 실험실에서 재현하기 위해 많은 과학자들은 다이아몬드 앤빌 셀(Diamond Anvil Cell, DAC)과 같은 실험 장치를 사용한다. 다이아몬드 앤빌 셀은 두 개의 다이아몬드를 겹쳐 그 사이에 초고압을 생성하여 물질의 변화를 연구하는 장치로, 금속 수소 연구를 비롯한 다양한 고압 실험에서 매우 중요한 도구이다. 이번 글에서는 다이아몬드 앤빌 셀의 구조와 작동 원리, 그리고 고온·고압 연구에서의 활용에 대해 알아보고자 한다.
다이아몬드 앤빌 셀의 구조
다이아몬드 앤빌 셀(DAC)은 기본적으로 두 개의 다이아몬드가 마주 보는 구조로 되어 있다. 그리고 그 사이에 실험할 샘플을 배치한 후 높은 압력을 가하는 방식으로 작동된다. 다이아몬드 앤빌 셀의 주요 구성 요소로는 ‘다이아몬드 앤빌(Diamond Anvils, 다이아몬드 모루)’, ‘개스킷(Gasket, 밀봉 장치)’ 그리고 샘플 주위에 분포시킨 ‘압력매질(Pressure Medium)’이 있다. 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)의 핵심은 두 개의 합성 또는 천연 다이아몬드로 이루어진 다이아몬드 앤빌(Diamond Anvils)이다. 다이아몬드는 자연에서 가장 단단한 물질 중 하나로, 극한의 압력을 견디면서도 광학적인 투명함을 유지할 수 있다는 특징이 있다. 다이아몬드 앤빌이 마주보는 주변을 밀봉하는 것이 또한 중요하다. 얇은 금속 재료(스테인리스 스틸, 레늄 등)로 제작되고, 샘플을 압력 챔버 내에 가두어 높은 압력을 효과적으로 전달하는 역할을 하는데 이를 개스킷(Gasket, 밀봉 장치)이라 한다. 그리고 균일한 압력을 전달하기 위해 샘플 주위에 액체(메탄올-에탄올 혼합물) 또는 기체(아르곤, 헬륨)를 압력 매질(Pressure Medium)로 사용한다. 참고로 고온 실험에서는 이 압력 매질이 특정한 상태로 변화할 수도 있다. 실험을 위한 보조 장치로는 DAC 내부에서 압력을 측정하기 위해 루비 형광계(Ruby Fluorescence) 등을 활용하며, 실험에 따라서는 X-선 회절, 라만 분광 분석 등이 추가될 수도 있다. 이러한 구조를 통해 DAC는 수백 기가파스칼(GPa)의 초고압 환경을 실험실에서 구현할 수 있게 된다.
다이아몬드 앤빌 셀의 작동 원리
다이아몬드 앤빌 셀은 물질에 초고압을 가하여 그 특성을 연구하는 장치로, 샘플 장착, 가압, 구조 분석의 과정으로 작동한다. 우선 연구할 샘플을 개스킷의 미세한 공간에 배치한 후 압력 매질과 함께 밀봉하게 된다. 때때로 실험하는 목적에 따라서는 다양한 환경을 설정하여 실험할 수도 있다. 샘플을 장착하고 나면 다이아몬드 앤빌을 서로 조여 압력을 가하게 된다. 이때 개스킷 내부의 샘플에 고압이 전달되게 되며, 일반적으로 100~400 GPa 수준까지 가압 범위를 조절할 수 있도록 하고 있다. 고온 실험이 필요할 경우에는 레이저 가열 시스템 또는 전기 히터를 활용하여 DAC 내부의 샘플을 수천 도까지 가열할 수도 있다. 이를 통해 극단적인 환경에 내에 있는 물질의 변화를 연구할 수도 있다. 이렇게 실험된 시료들에 대해서 X-선 회절(XRD), 라만 분광법(Raman Spectroscopy) 등을 이용하여 샘플 시료의 상태 변화를 실시간으로 측정하여 분석한다. 일부 실험에서는 초고속 카메라를 사용하여 빠르게 변화하는 물질의 구조를 포착하기도 하며, 이러한 과정을 통해 DAC는 초고압 환경에서 물질이 어떻게 변화하는지 정밀하게 연구할 수 있는 도구로 잘 활용되고 있다.
고온·고압 연구에서의 다이아몬드 앤빌 셀 활용 방안
다이아몬드 앤빌 셀은 초고압 물리학, 재료과학, 지구과학, 천체물리학 등 다양한 연구 분야에서 활용되고 있다. 우선은 지구 내부 조건 재현할 수 있다. 지구 중심부의 환경을 실험실에서 모사하여 맨틀 및 핵의 물질 특성을 연구할 수 있는 것이다. 고온·고압 상태에서 암석과 광물질의 변화를 분석하여 지구 내부 구조를 이해하는 데 많은 도움이 되었다. 또 400~500 GPa에서만 존재할 수 있는 금속 수소의 연구에도 사용되고 있다. 수소가 극한의 압력에서는 금속 상태로 변할 수 있다는 이론을 검증하는 데 DAC를 사용하여 검증하고자 하는 연구가 필수적이라 생각되며, 특히 금속 수소의 경우에는 상온 초전도체로 활용될 가능성이 있어 활발한 연구가 진행 중에 있다. 초고압 환경에서는 새로운 물질이 형성될 가능성이 높으며, 따라서 다이아몬드 앤빌 셀의 경우 상온 초전도체 개발에도 중요한 데이터를 제공하고 있다. 그리고 목성, 토성 같은 거대 가스 행성 내부의 환경을 실험실에서 구현할 수 있는데 이를 활용하여 우주 및 행성 연구에도 사용되고 있다. 행성 핵의 구성 물질이 극한 환경에서 어떻게 변화하는지 연구하는 데 활용되는 것이다.
다이아몬드 앤빌 셀은 고온·고압 연구의 매우 중요한 실험 장치로, 다양한 과학의 영역에서 중요한 실험 도구로서 역할을 수행하고 있다. DAC의 구조와 작동 원리를 이해하게 되면 초고압 환경에서 물질이 어떻게 변화하는지를 연구할 수 있으며, 금속 수소 연구, 지구과학, 천체물리학 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 특히, 금속 수소의 연구와 초고온 초전도체 개발 등은 미래 에너지 기술의 혁신을 가져올 가능성이 높기 때문에 앞으로 다이아몬드 앤빌 셀을 활용한 연구가 어떻게 발전할지 기대해 볼 만하다.