저가 다이아몬드 분말로 양자센서 소재 만든다—CSIRO·QST 공동 연구

왜 다이아몬드가 양자센서 소재인가

다이아몬드는 탄소 원자들이 정사면체 구조로 결합된 3차원 격자를 이루며, 자연에서 가장 견고한 구조 중 하나로 꼽힌다. 이 특성 덕분에 다이아몬드는 다른 양자 시스템이 요구하는 극저온 환경(-273°C) 없이도, 상온에서 양자 상태를 유지할 수 있다. 실용적 양자센서 소재로서 갖는 가장 큰 강점이다.

NV 센터: 결함이 곧 기능

양자센싱에서 핵심은 질소-공공(NV, Nitrogen-Vacancy) 센터다. 격자 내 탄소 원자 하나가 질소 원자로 치환되고, 인접한 자리의 탄소 원자가 비어 있을 때 형성된다. 녹색 광을 조사하면 NV 센터는 적색 형광을 방출하며, 이 발광의 밝기와 특성은 외부 자기장·전기장·온도·변형 등 주변 환경에 따라 달라진다. 이를 분석하면 나노미터 수준의 센서로 활용할 수 있다.

NV 센터 생성 과정은 방사선으로 격자 내 공공(vacancy)을 만든 뒤 가열을 통해 질소 원자 인접 위치로 이동시키는 방식으로 이루어진다. 나노다이아몬드에서는 표면층이 NV 센터의 안정성·밝기·감도에 결정적 영향을 미치기 때문에 표면 처리 기술이 핵심 과제로 꼽힌다.

연구의 목표와 현재 한계

현재 다이아몬드 기반 양자 시스템의 대부분은 희소하고 고가인 단결정 다이아몬드에 의존한다. CSIRO 팀은 산업 공정에서 대량으로 발생하는 저가 다이아몬드 분말을 출발 물질로 삼아, 에너지 소모가 적고 확장 가능한 공정으로 나노다이아몬드를 생산하는 경로를 구축하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 의료 진단, 환경 오염 물질 탐지, 국방, 항법 등 다양한 분야에 적용 가능한 센서 소재를 안정적으로 공급하고자 한다.

다만, 아직 NV 센터의 표면 근접도 제어와 표면 처리 방법의 최적화가 과제로 남아 있으며, 현재 단계는 성능 재현성을 높이고 실제 센싱 환경에서 소재를 검증하는 단계다.

호주의 양자소재 자립 전략

QST는 호주 내에는 없는 양자빔 조사 시설을 보유한 세계 수준의 연구기관이다. 이번 협력을 통해 CSIRO는 해당 시설을 활용해 제조 공정을 개발·시험하는 동시에, 호주 내 나노소재 가공 및 표면화학 역량을 결합한다. 장기적으로는 대형 국제 시설 없이도 호주 내에서 동등한 제조 역량을 재현하는 것이 목표다. 이는 글로벌 공급망 불확실성에 대응하는 소재 자립 전략의 일환이기도 하다.