합성 다이아몬드
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1. 개요
합성 다이아몬드는 자연 다이아몬드와 동일한 화학적, 물리적 특성을 갖도록 인공적으로 제조된 다이아몬드를 의미한다. 18세기 말부터 연구가 시작되어, 1950년대 제너럴 일렉트릭(GE)과 ASEA(스웨덴)의 경쟁을 거쳐 고온 고압(HPHT)법과 화학 기상 증착(CVD)법 등의 기술로 발전해왔다. 합성 다이아몬드는 절삭 및 연마 도구, 방열 재료, 광학 재료, 전자 소자, 보석 등 다양한 분야에 활용되며, 특히 보석 시장에서 점유율이 증가하고 있다. 윤리적, 환경적 문제로 인해 천연 다이아몬드를 대체하는 경향이 있으며, 기술 발전과 함께 가격 경쟁력도 높아지고 있다.
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| 합성 다이아몬드 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 합성 다이아몬드 인공 다이아몬드 실험실 재배 다이아몬드 |
| 영어 이름 | synthetic diamond (신세틱 다이아몬드) artificial diamond (아티피셜 다이아몬드) lab-grown diamond (랩 그로운 다이아몬드) |
| 일본어 이름 | 人工ダイヤモンド (진코 다이야몬도) |
| 상세 정보 | |
| 정의 | 제어된 공정을 통해 만들어진 다이아몬드. |
| 구성 성분 | 탄소 (C) |
| 대체재 | 천연 다이아몬드의 대체재 |
| 역사 | |
| 초기 연구 | 1879년부터 1928년까지 연금술적 꿈에서 과학적 승리로의 여정 |
2. 역사
앙투안 라부아지에의 연구 이후, 1797년 다이아몬드가 순수한 탄소임이 밝혀지면서[6][7] 저렴한 탄소원을 다이아몬드로 변환하려는 시도가 이어졌다. 1879년 제임스 발랜타인 해니,[13] 1893년 앙리 무아상이[14] 초기 성공 사례로 보고되었으나, 이들의 실험은 재현에 어려움을 겪었다. 윌리엄 크룩스,[16] 오토 루프,[17] J. 윌러드 허시[21] 등도 합성을 주장했지만, 다른 연구자들은 재현에 실패했다.[22][23] 찰스 앨저넌 파슨스는 40년간 연구를 지속했으나, 1928년 C. H. 데쉬 박사의 논문을 통해 당시까지 합성 다이아몬드는 없었고, 대부분 합성 스피넬이었을 것이라는 결론을 내렸다.[22]
1953년 스웨덴 ASEA에서 최초로 합성 다이아몬드가 만들어졌으나,[28][29] 특허 문제 등으로 1955년 제너럴 일렉트릭(GE)의 발표 직후에야 공개되었다.[30] 1941년 GE, 노턴, 카보룬덤 사의 협약은 제2차 세계 대전으로 중단되었다가 1951년 재개되어, 퍼시 브리지먼의 다이아몬드 앤빌 셀을 개량한 연구가 진행되었다.[28] 하워드 트레이시 홀은 1954년 벨트 프레스를 사용하여 상업적으로 성공적인 다이아몬드 합성에 성공했고, 1955년 발표했다.[33] 그는 용융 금속 (니켈, 코발트, 철)을 촉매로 사용하여 흑연을 다이아몬드로 전환시키는 방법을 사용했다.[34][35]
1970년 GE는 보석 품질의 합성 다이아몬드를 최초로 생산했다.[35][37] 초기에는 질소 불순물로 인해 황색 또는 갈색을 띠었으나, 알루미늄, 티타늄 첨가로 무색, 붕소 첨가로 청색을 만들 수 있었다.[38] GE 합성 다이아몬드는 천연 다이아몬드와 화학적으로 동일하지만, 물리적 특성은 달랐다.[39] 1950년대부터 소련과 미국에서 화학 기상 증착법(CVD)을 이용한 저온 합성 연구가 시작되었고,[40][41] 1968년, 1970년 다이아몬드 박막 증착이 재현되면서[42][43][44] 1980년대 저렴한 다이아몬드 코팅 연구로 이어졌다.
2. 1. 초기 연구
앙투안 라부아지에는 초기 합성 다이아몬드 연구에 중요한 역할을 한 근대 화학의 선구자였다. 그는 다이아몬드의 결정 격자가 탄소의 결정 구조와 유사하다는 사실을 발견하여 초기 다이아몬드 생산 시도에 기여했다.[5]1797년에 다이아몬드가 순수한 탄소로 이루어져 있다는 사실이 밝혀진 후[6][7], 저렴한 탄소 형태를 다이아몬드로 변환하려는 많은 시도가 있었다.[8] 1879년에는 제임스 발랜타인 해니가,[13] 1893년에는 앙리 무아상이 최초로 합성에 성공했다고 보고했다. 이들의 방법은 숯을 탄소 도가니 안에 철과 함께 용광로에서 최대 3500°C까지 가열하는 것이었다. 해니는 불꽃으로 가열된 관을 사용했지만, 무아상은 새로 개발한 전기 아크로(electric arc) 용광로를 사용했는데, 이 용광로에서는 석회석 블록 안에 있는 탄소 막대 사이에 전기 아크가 발생했다.[14] 그런 다음 용융된 철을 물에 담가 빠르게 냉각했는데, 이러한 냉각 과정에서 발생하는 수축이 흑연을 다이아몬드로 변환하는 데 필요한 고압을 생성하는 것으로 추정되었다. 무아상은 1890년대에 자신의 연구 결과를 여러 논문을 통해 발표했다.[8][15]
그러나 무아상의 실험은 재현에 어려움이 있었고, 온도와 압력 부족으로 인해 동일한 결과를 얻을 수 없다는 것이 밝혀졌다. 심지어 그의 조수가 실험 중단을 위해 천연 다이아몬드 입자를 섞었을 것이라는 설도 제기되었다.[146]
이후 여러 과학자들이 무아상의 실험을 재현하고자 했다. 1909년 윌리엄 크룩스 경이 성공을 주장했고,[16] 1917년 오토 루프는 최대 7mm 직경의 다이아몬드를 생산했다고 주장했지만,[17] 나중에 자신의 주장을 철회했다.[18] 1926년 맥퍼슨 대학교의 J. 윌러드 허시 박사도 무아상과 루프의 실험을 재현하여[19][20] 합성 다이아몬드를 생산했다.[21] 이 합성 다이아몬드는 현재 미국 캔자스주의 맥퍼슨 박물관에 전시되어 있다. 그러나 무아상, 루프, 허시의 주장에도 불구하고 다른 실험자들은 그들의 합성을 재현하는 데 실패했다.[22][23]
찰스 앨저넌 파슨스 경은 증기 터빈 발명으로 유명한 과학자이자 엔지니어였다. 그는 약 40년(1882~1922년) 동안 많은 재산을 투자하여 무아상과 해니의 실험을 재현하고 자신의 방법을 개선하고자 노력했다.[24] 파슨스는 꼼꼼한 접근 방식과 체계적인 기록 유지로 유명했으며, 그의 모든 결과물 샘플은 독립적인 기관에서 추가 분석을 받을 수 있도록 보관했다.[25] 그는 고온고압(HPHT) 다이아몬드에 관한 초기 논문에서 소형 다이아몬드를 생산했다고 주장하기도 했다.[26] 그러나 1928년 파슨스는 C. H. 데쉬 박사의 논문을 발표하도록 허가했는데,[27] 이 논문에서 데쉬 박사는 당시까지 합성 다이아몬드(무아상 등의 다이아몬드 포함)가 생산되지 않았다고 주장했다. 데쉬 박사는 그때까지 생산된 대부분의 다이아몬드가 합성 스피넬일 것이라고 추측했다.[22]
2. 2. ASEA와 제너럴 일렉트릭(GE)의 경쟁
1953년 2월 16일, 스웨덴의 대형 전기 기기 제조업체 ASEA(Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget)는 최초로 다이아몬드 합성에 성공했다(당시에는 보고되지 않음). 1949년부터 ASEA는 "퀸투스(QUINTUS)"라는 극비 다이아몬드 제조 프로젝트의 일환으로 과학자와 엔지니어 5명으로 구성된 팀을 고용했다. 이 팀은 발트사르 폰 플라텐과 안데르스 캠페가 설계한 부피가 큰 분할 구형 장치를 사용했다.[28][29] 장치 내부의 압력은 약 8.4GPa로 유지되었고, 온도는 1시간 동안 2400°C였다. 몇 개의 작은 다이아몬드가 생산되었지만, 보석으로서의 품질이나 크기는 충족하지 못했다.
특허 절차에 대한 의문과 당시 전 세계적으로 다른 심각한 다이아몬드 합성 연구가 진행되지 않았다는 합리적인 믿음으로 인해 ASEA 이사회는 홍보 및 특허 출원을 하지 않기로 결정했다. 따라서 ASEA의 결과 발표는 1955년 2월 15일 제너럴 일렉트릭(GE)의 기자 회견 직후에 이루어졌다.[30]
1941년, 제너럴 일렉트릭(GE), 노턴(Norton Abrasives), 카보룬덤(Carborundum Universal)사는 다이아몬드 합성 기술 개발을 위한 협약을 체결했다. 이들은 몇 초 동안 3000°C의 온도와 3.5GPa의 압력 하에서 탄소를 가열하는 데 성공했다. 그러나 곧 제2차 세계 대전으로 프로젝트가 중단되었다. 1951년 GE의 셰낙터 연구소에서 프로젝트가 재개되었고, 프랜시스 P. 번디(Francis P. Bundy)와 H. M. 스트롱(H. M. Strong)을 중심으로 고압 다이아몬드 연구팀이 구성되었다. 트레이시 홀 등이 이후 프로젝트에 참여했다.[28]
셰낙터 연구팀은 1946년 노벨 물리학상을 수상한 퍼시 브리지먼이 설계한 앤빌을 개량했다. 번디와 스트롱이 처음으로 개량을 진행했고, 이후 홀이 추가적인 개량을 수행했다. GE 연구팀은 유압 프레스 내부에 텅스텐 카바이드 앤빌을 사용하여, 캐틀라이트 용기에 담긴 탄소질 시료를 압축했다. 완성된 입자는 용기에서 가스켓으로 압착되었다. 연구팀은 한 차례 다이아몬드 합성을 기록했지만, 불확실한 합성 조건으로 인해 실험을 재현할 수 없었다.[31] 후에 이 다이아몬드는 종자로 사용된 천연 다이아몬드였던 것으로 밝혀졌다.[32]
1954년 12월 16일, 홀은 벨트 프레스식 앤빌을 사용하여 최초의 상업적인 합성에 성공했고, 1955년 2월 15일에 발표되었다. 이 앤빌 내에서는 온도 2000°C 이상, 압력 10GPa 이상의 상태를 만들어낼 수 있었고,[33] 용융된 니켈·코발트·철로 용해한 흑연을 엽록석 용기에 넣어 사용했다. 용융된 금속은 "촉매"와 같은 역할을 하여, 흑연을 녹이는 것뿐만 아니라 다이아몬드로 변화시키는 속도를 높였다. 그가 합성한 것은 최대 직경 0.15mm였고, 그것은 너무 크기가 작아 보석으로서는 불완전한 것이었지만, 공업용 연마재로 사용할 수 있었다. 홀의 동료들도 합성하는 데 성공하여, 연구 결과를 과학 전문지 네이처에 게재했다.[34][35] 홀은 재현·증명 가능한 합성을 수행했고, 또 충분한 근거가 있는 합성 과정을 창출한 인물이 되었다.[32][36] 그는 1955년 GE를 퇴사하고, 3년 후 새로운 합성용 앤빌을 개발했고, 지금까지의 연구 성과를 인정받아 미국화학회상을 수상했다.
2. 3. 한국 기업의 진출과 논란
주어진 원본 소스에는 1980년대 일진다이아몬드의 합성 다이아몬드 시장 진출과 관련된 내용이 없으므로, '한국 기업의 진출과 논란' 섹션에 작성할 내용이 없습니다.2. 4. 추가적인 발전
1970년 제너럴 일렉트릭(GE)은 보석과 동등한 품질을 가진 합성 다이아몬드를 최초로 개발하여 1971년 연구 결과를 발표했다. 이 방법은 엽록석(葉ろう石) 원통형 용기 양단에 다이아몬드 입자를 종자로 심고, 흑연을 용기 중앙에, 니켈을 사용한 금속 용매를 흑연과 다이아몬드 종자 사이에 설치했다. 이 용기를 가열하고 5.5GPa까지 가압했다. 결정은 용기 중앙에서 양단으로 석출되었고, 시간이 지남에 따라 결정도 더 길게 성장했다. 초기에는 일주일 동안 실험을 해도 보석으로서 가치가 있는 것은 크기 약 5mm, 질량 1캐럿(0.2g)의 다이아몬드밖에 생성되지 않았고, 합성 조건은 가능한 한 안정적으로 유지해야 했다. 따라서 목적하는 결정 형태를 훨씬 더 제어하기 쉽도록 원료인 흑연은 다이아몬드 입자로 변경되었다.[35][37]초기 보석용 다이아몬드는 불순물로 질소가 포함되어 항상 황색이나 갈색을 띠었다. 질소를 제거하고 알루미늄이나 티타늄을 첨가하면 무색투명해지고, 붕소를 첨가하면 청색을 나타냈다.[38]
GE가 제작한 것과 천연 다이아몬드는 화학적으로 동일했지만, 물리적 성질은 달랐다. 무색 다이아몬드에 단파장 자외선을 조사하면 형광과 인광을 발생하지만, 비교적 장파장 자외선에서는 이러한 현상이 일어나기 어렵다. 희소한 천연 청색 다이아몬드도 이러한 특성을 보인다. 천연 다이아몬드와 달리 GE가 합성한 다이아몬드에 X선을 조사하면 짙은 황색 형광을 발했다.[39] 드비어스(De Beers)는 고온 고압법으로 6주 동안 합성을 계속하여 고품질 25캐럿(5.0g)의 다이아몬드 합성에 성공했다. 그러나 경제적인 이유로 1.0~1.5캐럿(200~300mg) 크기가 최적이라고 결론지었다.[108]
1950년대 소련과 미국은 800°C의 비교적 낮은 온도에서 탄화수소 가스의 열분해에 의한 합성 연구를 시작했다. 이 저온 합성 방법은 화학 기상 증착법(CVD)이라고 한다. 1953년 윌리엄 G. 에버솔(William G. Eversole)은 다이아몬드 기판 위에 다이아몬드가 증착된 막이 생성된다고 보고했지만, 1962년까지 연구 결과가 발표되지 않았다.[40][41] 1968년 앙거스(Angus)와 그의 동료들이[42], 1970년 데리야긴(Дерягин)과 페도세예프(Федосеев)가 독자적으로 다이아몬드 박막 합성에 성공했다.[43][44] 에버솔과 앙거스는 고가의 단결정 대형 다이아몬드를 기판으로 사용했지만, 데리야긴 등은 규소나 금속 기판 위에서 생성했다. 1980년대는 데리야긴 등의 연구 성과에 힘입어 저렴한 다이아몬드 박막 증착 연구 개발이 급속도로 진행되었다.[45]
3. 제조 기술
합성 다이아몬드를 생산하는 데에는 여러 가지 방법이 사용된다. 최초의 방법은 고온 고압(HPHT)을 사용하는 방법이며, 비교적 저렴한 비용 때문에 여전히 널리 사용되고 있다. 이 공정에는 5GPa의 압력을 1500°C에서 생성할 수 있는 수백 톤의 무게에 달하는 대형 프레스가 포함된다. 두 번째 방법은 화학 기상 증착(CVD)을 사용하는 방법으로, 기판 위에 탄소 원자가 침착되어 다이아몬드를 형성하는 탄소 플라스마를 생성한다. 기타 방법으로는 폭발 생성(폭발성 폭발 나노다이아몬드 생성) 및 흑연 용액의 초음파 처리가 있다.[58][62][64]
1941년, 제너럴 일렉트릭(GE), 노턴(Norton Abrasives), 카보룬덤(Carborundum Universal)사는 다이아몬드 합성 기술 개발을 위한 협약을 체결했다. 이들은 몇 초 동안 3000°C의 온도와 3.5GPa의 압력 하에서 탄소를 가열하는 데 성공했지만, 제2차 세계 대전으로 프로젝트가 중단되었다. 1951년 GE의 셰낙터 연구소에서 프로젝트가 재개되었고, 트레이시 홀 등이 프로젝트에 참여했다.[28]
홀은 1954년 12월 16일 최초로 상업적으로 성공적인 다이아몬드 합성에 성공했으며, 이는 1955년 2월 15일에 발표되었다. 이 프레스는 용융 니켈, 코발트 또는 철 내에 흑연이 용해된 파이로필라이트 용기를 사용했으며, 이러한 금속은 탄소를 용해하고 다이아몬드로의 전환을 가속화하는 "용매-촉매" 역할을 했다. 그가 생산한 가장 큰 다이아몬드는 크기가 0.15mm였으며, 보석으로 사용하기에는 너무 작고 시각적으로 불완전했지만 산업용 연마제로 사용할 수 있었다.[34]
3. 1. 고온 고압(HPHT) 합성법
고온 고압(HPHT) 합성법에 필요한 압력과 온도를 제공하기 위해 사용되는 주요 프레스 설계에는 벨트형, 큐빅형, 분할구형(BARS)이 있다.
벨트형은 제너럴 일렉트릭(GE)의 트레이시 홀이 개발한 장치이다. 시료가 들어있는 원통형 셀 내부에 상하 앤빌에서 유압으로 압력을 가한다. "벨트"라고 불리는 선재로 셀을 감아 미리 압력을 가하며, 두 개의 앤빌은 전극 역할을 하여 셀 내부 히터에 전류를 흘려 고온 고압 상태를 만든다.[177] 이 프레스는 용융 니켈, 코발트, 철 내에 흑연이 용해된 파이로필라이트 용기를 사용했으며, 이 금속들은 탄소 용해 및 다이아몬드 전환을 가속화하는 "용매-촉매" 역할을 했다.[33] 오늘날에도 벨트형이 사용되며, 초기보다 훨씬 큰 규모로 제작된다.[178]
큐빅형은 6개의 앤빌을 사용하여 정육면체형 셀의 6면 모두에 압력을 가하는 멀티 앤빌 장치이다.[180] 최초의 멀티 앤빌은 정사면체 구조였으며, 4개의 앤빌로 압력이 사면체 셀에 집중되도록 하였다.[179] 이후 셀 내용적 증가를 위해 큐빅형이 만들어졌다. 큐빅형은 벨트형보다 작지만, 다이아몬드 합성에 필요한 압력과 온도에 더 빠르게 도달한다. 그러나 큰 용적 확보가 어렵다. 앤빌이 커지면 가압 공간도 넓어지지만, 같은 압력을 위해서는 더 큰 힘이 필요하다. 이를 위해 정십이면체 등 면이 많은 정다면체에 배치된 더 많은 앤빌을 사용하여 가압 공간의 체적 대비 표면적 비를 줄일 수 있지만, 이러한 장치는 복잡하여 개발이 어렵다.[180]
분할구 장치(BARS 장치)는 벨트형과 큐빅형보다 가장 작고 효율적이며, 경제적으로도 다이아몬드 합성이 가능하다. 약 2cm3의 세라믹 원통형 용기가 중앙에 배치되며, 이 합성 용기는 활석 등 정육면체 압력 전달 물질 속에 넣고, 탄화 텅스텐 등 초경합금 내부 앤빌과 8개의 강철 외부 앤빌로 가압한다.[181] 지름 1m 챔버에 고정 후 기름을 채우고, 반응 용기에 열과 압력을 동시에 가한다. 동축 그라파이트 가열 장치로 합성 용기를 가열하고, 열전대로 온도를 측정한다.[182]
3. 2. 화학 기상 증착(CVD)법
화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)법은 탄화수소 가스 혼합물로부터 다이아몬드를 성장시키는 방법이다. 1980년대 초부터 이 방법은 전 세계적으로 집중적인 연구 대상이 되어 왔다. CVD 장치의 유연성과 단순성은 실험실 연구에서 CVD 성장의 인기를 설명한다. CVD 다이아몬드 성장의 장점에는 넓은 영역과 다양한 기판 위에 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 능력과 생성된 다이아몬드의 화학적 불순물 및 특성을 미세하게 제어할 수 있는 능력이 포함된다. HPHT 합성법과 달리 CVD 공정은 성장이 일반적으로 27kPa 미만의 압력에서 일어나므로 고압을 필요로 하지 않는다.[58][56]
CVD 성장에는 기판 준비, 다양한 양의 가스를 챔버에 공급하고 가스에 에너지를 공급하는 과정이 포함된다. 기판 준비에는 적절한 재료와 결정학적 방향을 선택하고, 종종 다이아몬드 분말을 사용하여 비다이아몬드 기판을 연마하고, 일련의 시험 실행을 통해 성장 중 기판 온도(약 800°C)를 최적화하는 것이 포함된다. 또한, 균일하고 고품질의 다이아몬드 성장을 보장하기 위해 가스 혼합물 조성과 유량을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 가스에는 항상 탄소 원천(일반적으로 메테인)과 수소가 포함되며, 일반적인 비율은 1:99이다. 수소는 비다이아몬드 탄소를 선택적으로 식각해내기 때문에 필수적이다. 가스는 마이크로웨이브 전력, 열전극, 아크 방전, 용접 토치, 레이저, 전자빔 또는 기타 수단을 사용하여 성장 챔버에서 화학적으로 활성화된 라디칼로 이온화된다.
성장 과정에서 챔버 재료는 플라스마에 의해 에칭되어 성장하는 다이아몬드에 포함될 수 있다. 특히 CVD 다이아몬드는 성장 챔버의 실리카 창이나 실리콘 기판에서 유래한 실리콘에 의해 오염되는 경우가 많다.[57] 따라서 실리카 창은 피하거나 기판에서 멀리 이동시킨다. 챔버 내의 붕소 함유 물질은 매우 낮은 미량 수준에서도 순수한 다이아몬드 성장에 부적합하게 만든다.[58][56][59]
3. 3. 기타 합성법
직경 5nm의 다이아몬드 나노결정은 금속 용기 안에서 특정 탄소 함유 폭약을 폭발시켜 생성할 수 있는데, 이를 "폭굉 나노다이아몬드"라고 한다. 폭발 동안 용기 내부의 압력과 온도가 높아져 폭약의 탄소가 다이아몬드로 변환된다. 용기가 물에 잠겨 있어 폭발 후 빠르게 냉각되므로, 새로 생성된 다이아몬드가 더 안정적인 흑연으로 변환되는 것이 억제된다.[60] 흑연 분말로 채워진 금속관을 폭발실에 넣어 흑연을 다이아몬드로 변환하기도 한다.[61] 생성물에는 흑연과 기타 비다이아몬드 탄소 형태가 많아, 이를 용해하기 위해 뜨거운 질산에서 장시간(약 250°C에서 하루 정도) 끓여야 한다.[62] 회수된 나노다이아몬드 분말은 주로 연마에 사용되며, 중국, 러시아, 벨라루스에서 생산되어 2000년대 초부터 대량으로 시장에 유통되기 시작했다.[63]
마이크론 크기의 다이아몬드 결정은 초음파 캐비테이션을 이용하여 상온 및 대기압(표준 온도 및 압력)에서 유기 용매에 흑연을 현탁시켜 합성할 수 있다. 다이아몬드 수율은 초기 흑연 무게의 약 10%이다. 이 방법으로 생산된 다이아몬드는 HPHT 방식과 비용은 비슷하지만 결정 완벽도는 떨어진다. 이 기술은 비교적 간단한 장비와 절차를 필요로 하지만, 2008년 기준으로 산업적 용도는 없었다.[64][65] 초기 흑연 분말의 준비, 초음파 출력, 합성 시간 및 용매와 같은 많은 공정 매개변수가 최적화되지 않아 효율 향상과 비용 절감을 위한 여지가 남아 있다.
3. 4. 액체 금속 내 결정화
2024년, 과학자들은 갈륨, 철, 니켈, 실리콘 (77.25/11.00/11.00/0.25 비율) 액체 금속 합금에 약 1025°C에서 메탄과 수소 가스를 주입하여 1기압에서 다이아몬드를 결정화하는 방법을 발표했다. 이 결정화는 '종자 없는' 공정으로, 기존의 고압 고온 또는 화학 기상 증착법(CVD)과 차별화된다. 메탄과 수소 주입은 약 15분 후에 다이아몬드 핵을 생성하고, 결국 약 150분 후에는 연속적인 다이아몬드 박막을 생성한다.[66][67]4. 특성
합성 다이아몬드는 천연 다이아몬드와 마찬가지로 높은 경도, 광 분산(광택), 화학적 안정성, 높은 열전도율과 같은 특성을 지니고 있다.[68] 모스 경도계에서 다이아몬드는 10으로 가장 단단한 물질이다.[71] 이러한 특성 덕분에 다이아몬드는 보석뿐만 아니라 산업 현장에서도 널리 사용된다.
하지만 합성 다이아몬드는 제조 방식에 따라 그 특성이 달라질 수 있다.[193]
4. 1. 결정성
전통적으로 다이아몬드의 가장 중요한 특징은 결정 결함이 없다는 점으로 여겨져 왔다. 순수성과 높은 결정 완전성은 다이아몬드를 투명하고 맑게 만들고, 경도, 광 분산(광택), 그리고 화학적 안정성은 다이아몬드를 인기 있는 보석으로 만든다. 높은 열전도율은 기술적 응용에도 중요하다. 높은 광 분산은 모든 다이아몬드의 고유한 특성이지만, 다른 특성들은 다이아몬드가 생성된 방법에 따라 달라진다.[68]다이아몬드는 하나의 연속적인 단결정일 수도 있고, 여러 개의 작은 결정(다결정)으로 구성될 수도 있다. 크고 투명한 단결정 다이아몬드는 일반적으로 보석으로 사용된다. 다결정 다이아몬드(PCD)는 수많은 작은 결정으로 구성되어 있으며, 강한 빛 흡수와 산란을 통해 육안으로 쉽게 볼 수 있다. 보석에는 적합하지 않으며 채광 및 절삭 도구와 같은 산업용으로 사용된다. 다결정 다이아몬드는 종종 구성하는 결정의 평균 크기(또는 결정립 크기)로 설명된다. 결정립 크기는 나노미터에서 수백 마이크로미터까지 다양하며, 일반적으로 각각 "나노결정" 및 "마이크로결정" 다이아몬드라고 한다.[69] [194] 채굴 도구나 절삭 공구 등에 이용된다.
4. 2. 경도
다이아몬드는 모스 경도가 10으로, 이 척도에서 알려진 가장 단단한 물질이다.[71] 모스 경도계 다이아몬드는 압입 저항성 측면에서도 알려진 가장 단단한 천연 물질이다.[71] 합성 다이아몬드의 경도는 순도, 결정 완벽성 및 방향에 따라 달라진다. 완벽하고 순수한 결정으로「경도」는 어떤 물질로 긁었을 때의 긁힘에 대한 저항성을 가장 무른 물질을 1부터 가장 단단한 물질을 10까지의 수치로 나타낸 광물의 모스 경도를 의미하며, 다이아몬드의 모스 경도는 가장 단단한 "10"이다.[195] 합성 다이아몬드의 경도는 순도, 결정 완전성, 결정 방위에 따라 달라진다. 결함이 없고 결정이 완벽에 가까울수록, 또한 정육면체형 다이아몬드 격자의 대각선을 따라 있는 [111] 방향의 결정면이 더 단단하다.[196] CVD법으로 합성한 나노 결정 다이아몬드는 단결정 다이아몬드의 30%~75%의 경도를 가지며, 특수한 방법으로 경도를 조절할 수도 있다. 고온고압법으로 생성한 나노 다이아몬드(하이퍼 다이아몬드)는 모든 천연 다이아몬드보다 더 단단한 것으로 알려져 있다.[197][198][199]
4. 3. 불순물과 내포물
모든 다이아몬드에는 분석 기술로 검출 가능한 농도의 탄소 이외의 원자가 포함되어 있다. 이러한 원자들은 집합체를 형성하여 거시적 상을 이루는데, 이를 내포물이라고 한다. 불순물은 일반적으로 피하지만, 다이아몬드의 특정 특성을 제어하는 방법으로 의도적으로 도입될 수 있다. 용매-촉매를 사용하는 합성 다이아몬드의 성장 과정은 일반적으로 전이 금속 원자(니켈, 코발트 또는 철)를 포함하는 여러 불순물 관련 복합 중심의 형성으로 이어지며, 이는 재료의 전기적 특성에 영향을 미친다.[74][75]예를 들어, 순수한 다이아몬드는 전기 절연체이지만, 붕소가 첨가된 다이아몬드는 전기 전도체(그리고 경우에 따라 초전도체)가 되어[76] 전자 응용 분야에 사용될 수 있다. 질소 불순물은 격자 전위(즉, 결정 구조 내의 결함)의 이동을 방해하고 격자에 압축 응력을 가하여 경도와 인성을 증가시킨다.[77]
4. 4. 열전도율
순수한 다이아몬드는 결정 내 강한 공유 결합으로 인해 우수한 열전도율을 보인다. 순수 다이아몬드의 열전도율은 알려진 모든 고체 중 가장 높다. 특히 12C(99.9%)로 농축된 합성 다이아몬드 단결정(동위원소적으로 순수한 다이아몬드)은 모든 물질 중 가장 높은 열전도율을 가지는데, 상온에서 30 W/cm·K이며, 구리보다 7.5배 높다.[79] 천연 다이아몬드의 열전도율은 천연적으로 존재하는 13C 때문에 1.1% 감소하는데, 이는 격자 내 불균일성으로 작용한다.[79]합성 다이아몬드의 열전도율은 결함, 결정립계 구조 등에 따라 수십 W/m2K에서 2000 W/m2K을 초과하는 범위에 이른다.[78] CVD(화학 기상 증착)법으로 다이아몬드를 성장시키면, 결정립이 박막 두께에 따라 성장하여 박막 두께 방향으로 열전도율의 기울기가 생긴다.[78]
다이아몬드의 높은 열전도율은 보석상과 보석 감정사가 다이아몬드를 모조품과 구별하는 데 활용된다. 이들은 전자식 열 탐침을 사용하는데, 이 탐침은 미세한 구리 끝에 장착된 배터리로 작동하는 서미스터 한 쌍으로 구성된다. 하나의 서미스터는 가열 장치 역할을 하고, 다른 하나는 구리 끝의 온도를 측정한다. 시험 대상이 다이아몬드인 경우, 탐침의 열에너지를 충분히 빠르게 전달하여 측정 가능한 온도 강하를 생성한다. 이 시험에는 약 2~3초가 걸린다.[80]
5. 응용 분야
합성 다이아몬드는 그 경도와 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
- 절삭 및 연마 도구: 합성 다이아몬드는 매우 단단하여 드릴 비트, 톱, 연마제 등 절삭 및 연마 도구에 사용된다.
- 방열 재료: 열전도율이 높고 전기 전도율이 낮은 특성을 이용하여 고출력 레이저 다이오드, 트랜지스터 등의 방열판으로 사용된다.
- 광학 재료: 높은 열전도율과 낮은 열팽창 계수 덕분에 고출력 레이저 및 자이로트론의 출력 창, 싱크로트론의 회절격자 및 창 재료, 다이아몬드 앤빌 셀 등에 사용된다.
- 전자 소자: 반도체로 활용 가능하며, 전계 효과 트랜지스터 등에 사용되어 고주파 성능을 보인다. 또한, 방사선 검출 장치로도 사용된다.
- 전극: 전도성 CVD 다이아몬드는 유기성 폐수 처리 및 강력한 산화제 생산 등에 사용되는 전극으로 활용된다.
- 보석: 고온고압법(HPHT) 또는 화학 기상 증착법(CVD)으로 합성되며, 다양한 색상으로 만들 수 있다. 추모 다이아몬드로도 제작된다.
합성 다이아몬드는 분쟁이나 착취 없이 생산될 수 있으며, 천연 다이아몬드에 비해 환경에 미치는 영향도 적다.
| 항목 | 채굴 다이아몬드 (1캐럿당) | 실험실 합성 다이아몬드 (1캐럿당) |
|---|---|---|
| 물 사용량 | 약 96리터 | 약 0~2리터[123][124] |
| 토지 훼손 | 약 9m² | 0.0065m²[128][124] |
| 광물 폐기물 | 약 2600kg (고독성 미량 금속 포함)[126][127][128] | 0.5kg[128][124] |
5. 1. 절삭 및 연마 도구
합성 다이아몬드는 높은 경도를 가진 특성 덕분에 오랫동안 산업 현장에서 유용하게 활용되어 왔다. 특히, 공작기계 및 절삭 공구 제작에 이상적인 재료로 꼽힌다. 자연 상태에서 가장 단단한 물질인 다이아몬드는 다른 다이아몬드를 포함한 모든 재료를 연마, 절단, 마모시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 특성을 활용하여 다이아몬드 팁이 부착된 드릴 비트나 톱, 그리고 다이아몬드 분말을 연마제로 사용하는 것이 일반적인 산업적 응용 사례이다.[81] 이러한 활용은 합성 다이아몬드의 가장 큰 산업적 응용 분야이기도 하다. 천연 다이아몬드 역시 이러한 용도로 사용되지만, 합성 고온고압(HPHT) 다이아몬드가 기계적 특성의 재현성이 더 우수하여 널리 사용된다. 하지만 다이아몬드는 고속 가공 시 철 합금 가공에는 적합하지 않다. 고속 가공으로 발생하는 고온에서 탄소가 철에 용해되어 다이아몬드 공구의 마모가 크게 증가하기 때문이다.[82]
절삭 공구에서 다이아몬드는 주로 금속 매트릭스(일반적으로 코발트)에 분산된 미크론 크기의 입자 형태로 사용되며, 이를 소결하여 공구에 부착한다. 이러한 형태의 다이아몬드를 다결정 다이아몬드(PCD)라고 부른다. PCD 팁이 장착된 공구는 광산 및 절단 작업에 널리 사용된다. 최근 15년 동안 금속 공구에 CVD 다이아몬드를 코팅하는 기술이 발전해왔지만, 아직까지는 기존의 PCD 공구를 대체하지 못하고 있다.[83]
5. 2. 방열 재료
순수 합성 다이아몬드는 열전도율이 높지만 전기 전도율은 무시할 만한 수준이다. 이러한 특성 덕분에 다이아몬드는 고출력 레이저 다이오드, 레이저 어레이 및 고출력 트랜지스터의 방열판으로 사용되어 전자 제품에 매우 유용하다.[84] 효율적인 열 방출은 전자 장치의 수명을 연장하며, 장치의 높은 교체 비용은 비교적 비싸지만 효율적인 다이아몬드 방열판의 사용을 정당화한다.[84] 반도체 기술에서 합성 다이아몬드 방열판은 실리콘 및 기타 반도체 장치의 과열을 방지한다.[85]5. 3. 광학 재료
다이아몬드는 단단하고 화학적으로 불활성이며, 열전도율이 높고 열팽창 계수가 낮다. 이러한 특성 덕분에 다이아몬드는 적외선 및 마이크로파 방사선을 전달하는 데 사용되는 기존의 창 재료보다 우수하다. 따라서 합성 다이아몬드는 고출력 CO₂ 레이저[86] 및 자이로트론의 출력 창으로 셀렌화 아연을 대체하고 있다. 이러한 합성 다결정 다이아몬드 창은 지름이 큰(자이로트론의 경우 약 10cm) 디스크 모양이고 두께가 얇으며(흡수를 줄이기 위해) CVD 기법으로만 생산할 수 있다.[87][88]최근 HPHT 및 CVD 합성 기술의 발전으로 단결정 다이아몬드의 순도와 결정 구조 완벽성이 향상되어 싱크로트론과 같은 고출력 방사선원에서 실리콘을 회절격자 및 창 재료로 대체할 수 있게 되었다.[90][91] CVD 및 HPHT 공정 모두 다이아몬드 앤빌 셀을 사용하여 초고압에서 재료의 전기적 및 자기적 특성을 측정하는 도구로 설계된 광학적으로 투명한 다이아몬드 앤빌을 만드는 데에도 사용된다.[92]
5. 4. 전자 소자
합성 다이아몬드는 붕소나 인과 같은 불순물을 도핑하여 p형 또는 n형으로 만들 수 있어 반도체로서의 잠재력을 가진다.[94] 붕소와 인을 순차적으로 도핑하여 p-n 접합을 만들면 235 nm의 자외선을 생성하는 발광 다이오드(LED)가 만들어진다.[94] 단결정 CVD 다이아몬드의 전자는 4500 cm2/(V·s)에 이르는 높은 전하 이동도를 가지며, 이는 고주파 동작에 유리하다.[95] 실제로 다이아몬드로 만든 전계 효과 트랜지스터는 50 GHz 이상의 고주파 성능을 보여주었다.[96][97] 다이아몬드의 넓은 밴드갭(5.5 eV)은 우수한 유전 특성을 제공하며, 높은 기계적 안정성과 결합하여 발전소용 고전력 스위치 시제품에 사용되고 있다.[98]실험실에서 합성 다이아몬드 트랜지스터가 생산되었으며, 실리콘 소자보다 훨씬 높은 온도에서 작동하고 화학적 및 방사선 손상에 강하다.[99][100] 아직 상용 전자 제품에 성공적으로 통합되지는 않았지만, 매우 높은 전력 상황과 산화되지 않는 환경에서 사용될 가능성이 있다.[99][100]
합성 다이아몬드는 방사선 검출 장치로도 사용된다. 방사선에 강하고 5.5 eV의 넓은 밴드갭을 가지며, 안정적인 고유 산화물이 없다는 특징이 있다.[101] 이러한 특성으로 인해 스탠포드 선형 가속기의 BaBar 검출기[101]와 BOLD(VUV 태양 관측을 위한 Blind to the Optical Light Detectors)에 사용된다.[102][103]
전도성 CVD 다이아몬드는 유용한 전극으로 활용된다.[104] CVD를 통해 생산된 다결정 다이아몬드 필름 표면에 DNA를 공유결합으로 연결하는 광화학적 방법이 개발되었으며, 이러한 DNA 변형 필름은 다양한 생체 분자를 검출하는 데 사용될 수 있다.[105] 또한 다이아몬드는 산화환원 반응을 감지하고 유기 오염 물질을 분해하는 데 사용될 수 있으며, 기계적 및 화학적으로 안정적이기 때문에 기존 재료를 파괴할 수 있는 조건에서 전극으로 사용될 수 있다. 전극으로서 합성 다이아몬드는 유기성 폐수의 폐수 처리[106] 및 강력한 산화제 생산에 사용될 수 있다.[107]
5. 5. 보석
합성 다이아몬드는 고온고압법(HPHT)[108] 또는 화학 기상 증착법(CVD)[118]으로 만들어지며, 2013년 기준 보석용 다이아몬드 시장의 약 2%를 차지했다.[109] 그러나 기술 발전으로 더 크고 질 좋은 합성 다이아몬드를 경제적으로 생산할 수 있게 되면서 시장 점유율이 증가할 것으로 예상된다.[110] 실제로 2023년에는 합성 다이아몬드의 시장 점유율이 전체 다이아몬드 시장의 17%까지 증가했다.[111]
합성 다이아몬드는 노란색, 분홍색, 녹색, 주황색, 파란색, 그리고 드물게 무색(흰색)으로 생산된다. 노란색은 제조 과정에서 질소 불순물 때문에, 파란색은 붕소 때문에 나타난다.[38] 분홍색이나 녹색과 같은 다른 색상은 합성 후 방사선 조사를 통해 만들 수 있다.[112][113] 일부 회사에서는 화장한 유골을 이용해 만든 추모 다이아몬드도 제공한다.[114]
실험실에서 만든 보석용 합성 다이아몬드는 화학적, 물리적, 광학적으로 천연 다이아몬드와 동일하다. 천연 다이아몬드 채굴 산업은 합성 다이아몬드의 등장으로 인한 시장 위협에 대응하기 위해 법적, 마케팅, 유통 등 다양한 대책을 마련했다.[115][116] 합성 다이아몬드는 분광법을 사용하여 적외선, 자외선 또는 X선 파장으로 구별할 수 있다. 드비어스의 DiamondView 테스터는 자외선 형광을 이용하여 HPHT 또는 CVD 다이아몬드에 있는 질소, 니켈 등의 미량 불순물을 감지한다.[117]
실험실에서 합성 다이아몬드를 생산하는 한 회사는 자사 다이아몬드의 출처를 "공개"하고, 모든 보석에 레이저로 일련 번호를 새긴다고 발표했다.[118]
2015년 5월에는 10.02캐럿의 HPHT 무색 다이아몬드가 합성 다이아몬드 크기 기록을 세웠다. 이 다면체 보석은 약 300시간 만에 성장시킨 32.2캐럿의 원석에서 깎아낸 것이다.[120] 2022년까지 16~20캐럿의 보석용 합성 다이아몬드가 생산되었다.[121]
전통적인 다이아몬드 채굴은 아프리카 등 다이아몬드 채굴 국가에서 인권 침해 문제를 야기해왔다. 2006년 할리우드 영화 ''블러드 다이아몬드''는 이러한 문제를 널리 알리는 데 기여했다. 윤리적 문제없이 저렴한 보석을 찾는 소비자들이 늘면서 합성 다이아몬드에 대한 수요도 증가하고 있지만, 아직 그 기반은 크지 않다.[122]
윤리적 측면 외에도, 실험실 다이아몬드와 채굴 다이아몬드의 환경 영향을 비교할 때 다음 세 가지 요소가 중요하다.
| 항목 | 채굴 다이아몬드 (1캐럿당) | 실험실 합성 다이아몬드 (1캐럿당) |
|---|---|---|
| 물 사용량 | 약 96리터 | 약 0~2리터[123][124] |
| 토지 훼손 | 약 9m² | 0.0065m²[128][124] |
| 광물 폐기물 | 약 2600kg (고독성 미량 금속 포함)[126][127][128] | 0.5kg[128][124] |
합성 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 저렴하게 공급되는 경우가 많다. 또한, 분쟁이나 착취를 통해 얻어진 다이아몬드가 아니라는 점을 소비자에게 보장할 수 있다.[240][142]
6. 윤리적 및 환경적 고려 사항
합성 다이아몬드 초기 연구는 근대 화학의 선구자인 앙투안 라부아지에가 주도했다. 그는 다이아몬드의 결정 격자가 탄소의 결정 구조와 유사하다는 사실을 발견하여, 다이아몬드 생산 시도에 중요한 기여를 했다.[5]
1797년 다이아몬드가 순수한 탄소로 이루어져 있다는 사실이 밝혀진 후,[6][7] 저렴한 탄소 형태를 다이아몬드로 변환하려는 여러 시도가 있었다.[8] 1879년 제임스 발랜타인 해니,[13] 1893년 앙리 무아상이 초기 성공 사례를 보고했다.[14] 무아상은 전기 아크로(electric arc) 용광로를 사용했는데, 석회석 블록 안에 있는 탄소 막대 사이에 전기 아크를 발생시켜 흑연을 다이아몬드로 변환하는 데 필요한 고압을 생성했다.[14] 그는 1890년대에 자신의 연구 결과를 발표했다.[8][15]
윌리엄 크룩스,[16] 오토 루프[17] 등 많은 과학자들이 무아상의 실험을 재현하려 했으나, 성공 여부는 논란의 여지가 있었다. 1926년 J. 윌러드 허시 박사가 무아상과 루프의 실험을 재현하여 합성 다이아몬드를 생산했지만,[19][20] 다른 실험자들은 재현에 실패했다.[22][23]
찰스 앨저넌 파슨스 경은 40년 동안 무아상과 해니의 실험을 재현하고 자신의 방법을 개선하려 노력했다.[24] 그는 초기 논문에서 소형 다이아몬드 생산을 주장했지만,[26] 1928년, 그는 당시까지 합성 다이아몬드가 생산되지 않았으며, 대부분 합성 스피넬일 것이라는 추측을 발표했다.[22]
6. 1. 분쟁 다이아몬드 문제 해결
합성 다이아몬드는 분쟁 다이아몬드 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다. 분쟁 다이아몬드는 내전 자금으로 사용되는 다이아몬드로, 채굴 과정에서 심각한 인권 침해가 발생한다.6. 2. 환경 영향 비교
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日本初 ラボ・グロウン ダイヤモンドを用いた ジュエリーブランド SHINCA［シンカ］10月1日デビュー
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永遠の輝きに陰り ダイヤモンド業界が衰退している
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