합성 다이아몬드 (펌)

합성 다이아몬드(Synthetic Diamonds)

편집자 주 : 업계 언론들은 최근 다양한 합성 다이아몬드와 그 감별률로 떠들썩하다. GIA의 전문가들은 이러한 보석용 합성석을 둘러싼 논쟁을 잠식시키기 위해 다음과 같은 논문을 발표했다.

보석용 천연 다이아몬드는 귀하다. 최근 몇 년 동안 새로운 채굴지가 발견되기는 했지만 현재와 미래의 시장은 더 많은 천연 다이아몬드의 공급을 요구하고 있다.

탄소의 동질 광물(예를 들면 그래파이트) 혹은 탄소 함유 기체(예를 들면 메탄(CH4))를 이용한 실험실에서의 다이아몬드의 합성은 50년 전부터 연구되어 왔으며 최근 20년 동안 매우 중대한 진전이 있었다.

결론적으로 보석용 다이아몬드의 싱글 결정은 두 가지 방법으로 실험실에서 합성될 수 있다. 하나는 HPHT(고온고압) 하에서 다이아몬드를 성장시키는 것이고 다른 하나는 화학증기증착(CVD)법을 이용한 것이다.

 

지금까지 거의 대부분의 합성 다이아몬드가 공업용으로 사용되기는 했지만 기술의 발전으로 인해 점점 더 많은 합성 다이아몬드들이 주얼리 시장에서 판로을 찾고 있다. 또한 다양한 방법의 인공 처리들이 개발되어 합성 다이아몬드의 질을 개선하고 있다.

◆ HPHT 합성 다이아몬드

이 기술에서 일반적으로 다이아몬드의 성장 조건은 5.0~6.5 GPa의 압력과 섭씨 1,350~1,800도의 열이다.
다양한 형태의 프레스, 큐빅, 벨트, BARS 등이 여기에 필요한 압력을 조성하기 위해 사용된다. 그래파이트 도가니 안에 탄소의 공급을 위한 그래파이트 디스크와 다이아몬드 씨드 크리스탈을 윗부분에 장착하며 아랫 부분에는 일반적으로 니켈-코발트로 만들어진 금속 디스크를 넣는다. 이러한 조합은 녹은 금속 디스크의 윗부분의 온도을 아랫 부분보다 높게 유지하기 위해 특별히 디자인 된 것이다.

다이아몬드의 성장의 원리는 녹은 금속 디스크 내의 안정된 다이아몬드 상(相)의 용융점이 준안정 상태의 그래파이트의 용융점보다 낮다는 사실을 이용한 것이다. 기온 경도(temperature gradient) 또한 다이아몬드의 성장을 도와주는 요소이다. 왜냐하면 그래파이트의 용융점은 온도가 낮아지면 같이 낮아지기 때문이다. 그 결과 더 많은 탄소 원자가 도가니 안의 더 뜨거운 부분에 위치한 탄소의 공급처로부터 녹아 나와 좀더 차가운 부분으로 이동하여 씨드 크리스탈 위에 응결하여 새로운 합성 다이아몬드 크리스탈을 형성한다.

미국의 Gemesis, Chatham Created Gems, Lucent Diamond사 등이 주얼리 시장을 겨냥한 HPHT 합성 다이아몬드를 생산하고 있다. 최대 3.5 캐럿까지의 고품질 크리스탈과 1.5 캐럿까지의 연마된 스톤이 상업적으로 생산되고 있다.
알려진 HPHT 합성 다이아몬드 중 가장 큰 것은 드비어스의 과학자들이 연구 목적으로 1992년에 합성한 34.80 캐럿의 크리스탈이다.

HPHT 합성 다이아몬드는 형성 및 성장 조건과 환경이 매우 다르기 때문에 전형적인 정팔면체 형태를 띈다. 반대로 천연 다이아몬드는 거의 대부분 팔면체 혹은 변형된 팔면체 형태를 띈다. 합성 다이아몬드가 자랄 때 불순물과 그 집중은 잘 조절될 수 있다. 시중의 HPHT 합성 다이아몬드 대부분이 타입 Ⅰb 이지만 질소 성분이 다이아몬드의 래티스에 들어가는 것을 ‘블로킹’하거나 혹은 의도적으로 크리스탈에 추적 가능한 만큼의 보론을 첨가함으로써 타입 Ⅱa 혹은 Ⅱb도 만들어 낼 수 있다.

HPHT 합성 다이아몬드는 무색, 블루, 그린, 옐로우, 옐로우-오렌지, 오렌지-옐로우 등이 생산되며 칼라 및 채도가 무척 다양하다. 합성 후 방사능 조사 혹은 방사능 조사 및 열처리를 통해 블루와 그린 뿐 아니라 아름다운 핑크~레드 칼라까지도 만들어 낼 수 있다.
그 결과 HPHT 합성 다이아몬드는 거의 대부분이 옐로우이기는 하지만 거의 모든 칼라가 생산 가능하다. 클래러티는 스톤마다 다르게 나타난다. 일부는 상대적으로 내포물이 없으나 내포물이 많은 것도 있다. 천연 다이아몬드 클래러티 등급을 기준으로 할 때는 VVS~I 등급까지 있다.

각 성장 부분들이 질소와 보론 불순물에 대하여 대조되는 대응 방식을 가지고 있기 때문에 눈에 띄는 칼라 존이 나타나게 된다. 또한 이러한 차이점 때문에 때로 자외선 하에서 크로스(십자가) 형태의 형광 패턴이 나타나기도 하며 이는 감별 특징이 적은 무색의 Ⅱa 의 HPHT 합성 다이아몬드의 중요한 감별 특징이다. 이러한 패턴은 강한 자외선 단파(DTC의 다이아몬드뷰가 생성하는 것과 동일한)를 사용하여 관찰할 수도 있다. 또 다른 유용한 감별 특징으로는 금속 내포물, 핀포인트 클라우드, 인터널 그레이닝 등이 있다. 이러한 시각적인 특징 외에도 스펙트럼 및 화학 분석 기구들을 이용하여 실험실에서 생성되었다는 것을 증명할 수 있다.

◆ CVD 합성 다이아몬드

기존의 HPHT 합성 다이아몬드와는 달리 CVD 합성 다이아몬드는 이보다 훨씬 낮은 압력 하에서 생성된다. 일반적으로 CH4와 같이 탄소를 함유하고 있는 개스 속에서 기압의 10분의 1에 해당하는 압력 하에서 생산된다. 일반적으로 이 개스 분자들은 화학 반응기 속에 전자파를 흐르게 하여 생성시킨 고온 플라스마(전기적 중성을 띤 입자 집단) 속에서 서로 분리된다.

이러한 화학 반응으로 인해 싱글 크리스탈의 합성 다이아몬드의 엷은 막이 층을 이루며 다이아몬드 기판 위에 증착된다. 크리스탈의 성장은 주로 섭씨 800~1,000도에서 이루어 진다. 지금까지 오랜 연구 과정을 거쳐 시간당 100 밀리미터의 성장률이 달성 되었으며 DTC 또한 연구 목적으로 고품질의 CVD 다이아몬드를 생산하여 이에 대해 보고한 바 있다. CVD 합성 다이아몬드 크리스탈은 상대적으로 사이즈가 작고 주로 납작한 사각형의 형태를 띄고 있다.

지금까지 생산된 최대의 CVD 크리스탈은 아폴로사가 합성하고 GIA가 검사한 1.36 캐럿, 2.7 밀리미터 두께의 스톤이다. 가장 큰 연마된 스톤은 1.11 캐럿이다. 연마된 CVD 다이아몬드는 주로 브라운 칼라를 띄며 톤에 큰 차이가 있다. 이들 스톤의 대부분은 매우 ‘깨끗’하다. 그러나 때로 다이아몬드화 되지 않은 탄소의 침착으로 불규칙한 검은색 내포물이 나타나기도 한다. 작은 균열이 때때로 관찰되기도 한다. 천연 다이아몬드 클래러티 등급을 기준으로 할 때는 VS~SI 등급까지 있다. CVD 다이아몬드는 주로 스퀘어 컷 혹은 직사각형(렉텡귤러) 컷으로 연마한다. 이는 사각형의 CVD 크리스탈에서 최대 중량을 얻어내기 위한 것이다.

1.03 캐럿의 팬시 딥 블루 칼라의 스퀘어 컷 다이아몬드가 VS2 등급을, 0.82 캐럿의 로즈 컷 다이아몬드가 VVS1에 E 칼라 등급을 받은 것으로도 알 수 있듯이 CVD 기술을 이용하여 고품질의 합성 다이아몬드를 생산할 수 있다. 이 다이아몬드들은 DTC의 연구팀이 과학적인 목적만을 위해서 생산한 것이며 위의 등급은 설명을 위해서만 매겨진 것이다. 이러한 스톤들이 시장에 나오게 되면 CVD 합성 다이아몬드의 경우에는 기존의 보석 감별 도구만으로는 감별이 어려울 것으로 보인다.

CVD 다이아몬드의 브라운 칼라와 연마된 스톤의 얇은 두께, 그리고 특징적인 얼룩 등은 단서를 제공할 것이다. 또한 다이아몬드뷰를 갖춘 감정소에서는 이 기구를 통해 일반적으로 강한 오렌지-레드의 섬광을 볼 수 있을 것이다. 이는 시험 스톤이 CVD 합성되었다는 시각적 단서이다.

그러나 결론을 내리기 위해서는 진보적인 분광 검사를 거쳐야만 한다. 일반적으로 CVD 합성 다이아몬드는 타입 Ⅱa이며 대부분 단리된 질소 성분이 추적된다. 포토루미네슨스 분광 분석 결과에 의하면 575nm와 637nm에서 질소 결함(nitrogen-vacancy) 센터로 인한 강한 방출이 관찰된다. 596nm와 497nm에서의 이중 방출은 천연 다이아몬드에서는 보고된 바 없는 CVD 다이아몬드의 고유한 특징이다.
마지막으로 수소에 의한 (주로 3,123cm-1에서 나타남) 적외선 흡수와 실리콘 분술문에 의한 737nm에서의 방출은 CVD 합성 다이아몬드에서만 나타나는 특징이다. CVD 다이아몬드의 칼라 또는 다른 물리적 특성들은 HPHT 처리에 이해 현저하게 개선될 수 있다.
CVD 다이아몬드의 브라운 칼라는 처리 후 확연히 사라져 거의 무색이나 약간의 칼라를 띈 스톤이 된다. 대부분의 경우 HPHT 처리는 CVD 합성 다이아몬드의 본질적인 감별 특징을 바꾸어 놓지 않는다. 하지만 처리 후에는 처리 유무를 알 수 있는 추가적 특징을 갖게 된다. 오늘날 CVD 법으로 합성한 모든 다이아몬드는 천연과 구별 가능하며 합성 이후 HPHT 처리 된 것도 마찬가지이다. 아직 소수이기는 하지만 점점 더 많은 합성 다이아몬드가 계속 시장에 나오고 있으며 이러한 제품들을 적절히 감별하는 것은 무척 중요한 일이다.

 

미국 카네기 연구소 10캐럿 CVD 합성 다이아몬드 제조 성공

카네기 재단의 지구물리학 연구소는 최근 CVD(화학증기증착법)법을 이용, 두께 2분의 1인치, 10캐럿 중량의 단일 결정의 다이아몬드를 고속 (시간당 100 마이크로미터) 생산하는 데 성공했다.

이 스톤의 크기는 기존의 업체들이 HPHT 및 CVD 기술을 사용하여 생산할 수 있는 통상적인 크기의 5배에 이른다.

또한 연구팀은 CVD법을 이용, 자외선~적외선 파장에서 투명한 단일 결정의 화이트 다이아몬드를 만들어 내는 데 성공했다. 카네기 연구소 다이아몬드 연구부문 팀장 Russell Hemley 박사는 “전통적인 접근방법으로는 3캐럿 이상의 고품질의 다이아몬드 크리스탈 생산이 매우 힘들다.”라고 말했다.

그는 또 “몇 개 회사가 CVD법을 이용, 단일 결정 다이아몬드를 생산하는 데 성공했다. 그러나 크고, 무색이며 내포물이 없는 스톤의 생산은 아직까지 도전으로 남아 있다. 따라서 10캐럿, 2분의 1 인치의 CVD 다이아몬드 생산은 중대한 사건이 아닐 수 없다.”라고 덧붙였다.

이러한 연구 결과는 지난 5월 12일 일본의 쓰쿠바에서 개최된 제10회 국제신다이아몬드과학기술회의와 5월 18일 일리노이주 Argonne에서 개최된 응용다이아몬드 총회에서 발표되었다.

기존의 HPHT 합성 다이아몬드는 대부분 옐로우, CVD 다이아몬드는 대부분 브라운이어서 시각적인 적용에 한계가 있었다. 또한 무색의 다이아몬드는 사이즈가 작고 생산비용이 높아 생산이 한정적이었으며 이 때문에 합성 다이아몬드를 보석용, 광학용, 과학 연구용으로 사용하는 데 어려움이 있었다.

그러나 2004년, 카네기 연구소의 연구원들은 HPHT 처리를 통해 일부 CVD 다이아몬드의 광학적 특성을 개선시킬 수 있을 뿐 아니라 경도 또한 높일 수 있다는 점을 밝혀 냈다. 이 신기술을 응용하여 카네기의 과학자들은 드디어 HPHT 처리를 할 필요가 없는 투명한 CVD 합성 다이아몬드를 만들어 내는 데 성공했다. (그림 1)

또한 이를 발전시켜 더 큰 보석용 크리스탈을 생산하기 위해 카네기의 연구원들은 육면체 다이아몬드 기판에 CVD법을 통해 다이아몬드를 증착시켰다. (그림 2)

이 방법을 통해 무색의 단일 결정 다이아몬드를 3차원적으로 키워 인치 범주(300 캐럿에 해당)까지 성장시키는 것이 가능해 졌다.

마침내 이들은 고속성장 CVD법으로 만들어낸 단일 결정 다이아몬드 블록을 새로운 형태로 연마하기에 이르렀다.

(그림 3)은 생산된 블록을 과학 실험을 위해 레이저를 이용, 12 밀리미터 크기로 연마한 후의 모습이다. 카네기 연구팀이 개발한 고속성장 CVD법의 표준 성장 속도는 시간당 100 마이크로미터이지만 실험 결과 시간당 300 마이크로미터 이상까지도 가능한 것으로 나타났다. 또한 연구팀은 앞으로 시간당 1밀리미터까지도 가능할 것으로 내다 봤다. 앞으로 생산비용을 낮추고 성장 속도를 높일 수 있다면 여러 가지 용도의 다이아몬드 블록 생산이 가능해 질 것이다. Hemley 박사는 “다이아몬드의 시대가 도래했다.”라고 결론지었다.

이 연구는 카네기 재단과 내셔널사이언스파운데이션이 후원하였다.
워싱턴의 카네기 재단은 1902년부터 기초과학 연구의 선구적 역할을 해왔다. 이 재단은 비영리 단체이며 미국 내에 6개의 지국을 두고 있다.

카네기의 연구원들은 식물 생태학, 발전 생물학, 천문학, 재료과학, 환경학, 지구 및 우주과학 등의 권위자들로 구성되어 있다.