합성 다이아몬드의 역사

< 합성 다이아몬드의 역사 > 

1. 다이아몬드의 합성 시도와 성공 
 다이아몬드가 탄소로 구성되어 있다는 사실은 17세기 이후 많은 과학자에 의해 주장되어 왔다. 이후 1797년 영국의 화학자 스미스슨 테넌트는 다이아몬드를 태워 생긴 기체를 조사한 결과 단지 탄소에 불과했다고 주장하였다. 또한 남아프리카의 파이프에서 다이아몬드가 발견되면서 고온고압 하에서 형성되었다는 것을 알게 되었고, 이는 곧 탄소에 인공적으로 고온고압을 가하면 다이아몬드로 변환시킬 수 있다는 것을 의미하는 것이었다. 
 이후 19세기부터 20세기 초까지 많은 과학자가 합성 다이아몬드를 만들기 위하여 노력했으나 다이아몬드가 형성될만한 고압 장치를 만들어낼 수 없었기 때문에 실패하였다. 그러다 미국의 제너럴 일렉트릭(GE)사에서는 고압 물리학자인 퍼시 W. 브리지먼(1946년 노벨 물리학상 수상)의 도움으로 고압 장치를 개선해 나갔으며, 결국은 트레이시 홀에 의해 1954년 12월 최초의 공업용 합성 다이아몬드를 생산하는 데 성공하였다. 이후 반복적인 실험에 성공한 후 1955년 2월 이를 공표하였다. 
 GE사의 발표가 있었던 직후, 스웨덴의 전기회사인 ASEN사에서는 GE사보다 2년 빠른 1953년에 이미 다이아몬드의 합성에 성공하였으나 당시의 다이아몬드는 모래알보다 작은 것이었기 때문에 발표를 미루고 있었다고 발표했다. 그러나 최초의 생산자는 GE사라는 인식을 바꿀 수는 없었다. 
 이어 1959년 드비어스사도 공업용 합성 다이아몬드의 생산을 발표하였으며, 1962년에는 일본의 도시바전기연구소에서 기존의 방법보다 낮은 온도와 압력(GE사는 1,200∼2,400℃의 온도와 5.5~10만 기압, 도시바는 800℃와 6만 기압)에서 공업용 합성 다이아몬드를 생산하는 데 성공했다. 

2. 고압 법에 의한 보석용 합성 다이아몬드의 생산 
 질이 좋고 커다란 보석 품질의 합성 다이아몬드 결정을 성장시키기 위해서는 일정한 고온고압의 조건을 일정 기간 유지해야 하는 등 많은 기술적인 문제를 해결해야 한다. 
 1970년 GE는 이러한 문제를 고압 하에서 온도 차를 이용하는 방법으로 최초의 연마 가능한 보석 품질의 다이아몬드를 합성하는 데 성공하였다. 이것은 벨트 프레스(BELTPress)라는 정교한 고압 장치 내에서 성장시키는 방법이었다. 금속성 플럭스 용제(일명 촉매)를 이용하기 때문에, 이를 이용하지 않는 경우에 비해 온도나 압력이 훨씬 낮은 상태에서의 성장이 가능하다. 이 장치는 온도가 보다 낮게 유지된 한쪽에 종자 결정을 설치하고, 고온인 다른 한쪽에는 원료인 다이아몬드 분말을 설치하여 그사이에 온도 차를 형성시킨다. 원료 다이아몬드 분말은 고온 상태이므로 용매 금속 중에 녹아 들어가 종자결정에 도달하게 되어 결정이 서서히 성장한다. 이때 질소 불순물이 함유되면 황색을 띠게 되며, 붕소가 함유되면 청색을 나타내게 된다. 
 커다란 보석 품질 합성 다이아몬드는 탄소 원료로 흑연이 아니라 합성 다이아몬드 분말을 사용한다. 흑연을 연료로 사용하면 밀도가 낮기 때문에 다이아몬드로 변할 때 순간적으로 체적이 감소하게 되고 이와 동반하여 압력이 떨어진다. 따라서 다이아몬드의 성장률이 현저히 떨어지고, 공정의 조절도 어려워진다. 
 GE의 연구팀은 1970년대 초에 일주일을 성장시켜 1캐럿(직경 약 5mm)의 합성 결정을 생산할 수 있었다. 하지만 이 보석 품질의 합성 다이아몬드는 기술적으로 합성 비용이 많이 들어 실용화되지 못하고 연구용이나 과학적인 용도로만 사용되었다. 
 1985년에 이르러 일본의 수미 토모 전기에서는 직경 1cm(3.5캐럿)의 결정을 1,550℃, 60kb의 압력 아래에서 200시간에 걸쳐 제조하는 데 성공하여, 이후 합성 다이아몬드를 상업적으로 생산할 수 있는 계기가 되었다. 

3. 저압법(低壓法)에 의한 합성 다이아몬드의 생산 

 GE사가 고온고압 하에서의 합성을 연구할 때부터 저압 합성의 시험이 이루어져 왔다. 옛 소련에서는 다이아몬드의 기상(氣相) 합성에 관한 특허가 출원되었고, 1952년에는 미국의 유니온 카바이드사의 윌리엄 G. 에버솔이 이에 관한 연구를 하여 1962년에 특허를 취득하였다. 1960년대 말에 이르러 미국의 화학공학 교수 존 C. 앵거스에 의해 CVD(화학기상증착, Chemical Vapor Deposition) 법에 의한 합성 가능성이 증명되었다.
 이 방법은 1980년대에 이르러 일본의 무기 재질연구소(NIRIM)의 과학자들에 의해 상업적으로 실행할 수 있는 프로세스로 발전하게 되었다. 이 방법은 일찍이 앵거스가 실험한 조건 아래서 다이아몬드 성장의 열쇠는 흑연이 아닌 수소였으며, 낮은 압력에서 수소와 메탄가스를 적절한 열원에 반응시켜 다이아몬드를 박막(薄膜) 형태로 합성해 내는 방법이었다. 
 CVD 법에 의한 합성 다이아몬드는 다이아몬드의 특성을 이용한 산업적인 연구가 목표였다. 산업 분야에서 CVD 법에 의해 다결정(polycrystalline)의 다이아몬드 박막을 형성시켜 사용해 왔으며, 개발 도중 단결정의 형성에 성공하게 된 것이다. 
 2003년에 아폴로 다이아몬드사(Apollo Diamond Inc.)에서는 CVD 법에 의한 단결정의 보석 품질 Ia 형 합성 다이아몬드의 생산을 발표하였다. 

4. 합성 다이아몬드의 산업적 활용 
 다이아몬드는 보석용으로 사용되는 이외에도 그 특성에 의해 공업적인 용도로 폭넓게 사용된다. 높은 온도에서 형성되므로 열에 대한 저항성이 매우 크고, 경도가 가장 높아 좋은 연마재나 절삭 기구로 사용된다. 예를 들면 지하의 물질을 시추할 때 쓰이는 시추용 비트나, 정밀 공작 기구의 재료로서 다이아몬드 톱이나 절단기 부품 및 보석이나 광학 렌즈의 가공 등에 사용된다. 
 또한 그라인더의 일반적인 형태는 물론 특수한 부분을 연마하여 다양한 형태로 만드는 데 사용한다. 따라서 전기·전자 제품공장이나 군수 무기 제조공장 등에서는 절대 필요한 물품이다. 그 외에도 정교한 부분품의 제조에 사용되며, 특히 철사용의 다이스(dies)로 이용되어 금, 은, 구리, 청동, 철, 백금, 니켈 등의 세사(細)를 뽑는 데 사용된다. 
 합성 기술의 발달로 합성 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 공업적인 용도의 폭을 더욱 넓혀가고 있다. 
 천연 다이아몬드는 산출되는 크기나 질이 불균일하여 입자의 크기에 따라 용도가 분류되지만, 합성 다이아몬드는 작위적으로 모양과 크기 및 품질까지도 용도에 따라 조절하는 것이 가능하다. 
 합성 다이아몬드의 가장 일반적인 형태는 그릿(grit)이나 파우더(power)로서 이는 다이아몬드 그라인딩 휠(grinding wheel)로 주로 사용된다. 또한 금속이나 유리, 플라스틱, 세라믹 등으로 만들어진 거의 모든 제품의 마무리 공정에 주로 다이아몬드 파우더가 사용된다. 
 Ia 형의 다이아몬드는 뛰어난 열 전도성을 지니고 있어 높은 열이 발생하는 부분의 열을 빨리 발산시켜 과열되지 않도록 하는 용도로 사용된다. 이 경우에는 크게 합성된 Ia 형의 다이아몬드를 잘라서 사용한다. 외과용의 기구나 열에 민감한 전자제품의 히트싱크(heat sink, 방열재)로서도 이용된다. 
 공업용 합성 다이아몬드의 생산은 다이아몬드 이너베이션스(Diamond Innovations, 이전의 GE사의 다이아몬드 파트 인수)와 엘리먼트 식스(Element Six; e6, 드비어스의 공업용 다이아몬드 파트)가 거의 독점하고 있던 가운데 우리나라의 일진다이아몬드사가 1990년대 GE와의 특허권 분쟁 끝에 승리하여 이후 시장점유율을 점차 높여 가고 있다. 
 또한 CVD 법으로 다이아몬드를 합성함으로써 고압 법에 의한 합성 다이아몬드에서 기대할 수 없었던 특성까지도 응용할 수 있어 공구류, 내 마모 부품, 광학 부품, 전기 전자부품, 반도체 센서 등에 폭넓게 활용할 수 있게 되었다. 
 특히 다이아몬드 마이크로 칩의 제조 가능성 유무는 과학자들이 가장 관심을 갖는 분야이다. 반도체의 주요 성분인 실리콘은 95℃에서 파괴되나, 다이아몬드는 500℃의 열을 견딜 수 있고 또한 열을 쉽게 방출한다는 장점이 있기 때문이다. 
 다이아몬드는 보석용으로서뿐만 아니라 그 특성에 의해 공업적인 용도로 폭넓게 사용된다. 정밀 공작 기구의 재료로서 다이아몬드 톱이나 절단기 부품 및 보석이나 광학용 렌즈의 가공 등에 이용된다. 

5. 보석 품질 합성 다이아몬드의 현황 
 고압 법에 의한 보석 품질 합성 다이아몬드의 제조에는 특별한 장치와 에너지가 필요하여 1990년대에는 실험용이나 연구 목적이 대부분이었다. 또한 크면 클수록 성장 시간이 길어져 대량 생산에는 한계가 있었다. 드비어스에서 1993년에 실험적으로 30캐럿 이상의 황색 결정을 성장시키는데 500~600시간이나 소요되었다. 
 더구나 상업적으로 이용할 수 있는 보석 품질의 합성 다이아몬드를 성장시키기는 더욱 어려웠으며 대부분은 아주 작은 크기뿐이었다. 
 1990년대의 대부분의 합성 다이아몬드는 질소의 존재에 의하여 황색을 띠고 있으며, 이따금 갈색을 띠었다. 실험적으로 붕소뿐만 아니라 니켈과 코발트와 같은 불순물로 실험하여 다양한 색상을 제한적으로 생산하기도 하였다. 
 다이아몬드 합성 연구가들의 목표는 주얼리에 사용할 수 있는 크기와 니어 컬러리스의 합성 다이아몬드를 경제적으로 생산하는 것이다. 
 1990년대에 들어 수미토모와 드비어스는 니어 컬러리스의 합성 다이아몬드를 실험적으로 성장시켜 왔으며, 제너럴 일렉트릭도 마찬가지였으나 상업적으로 주얼리 시장에는 내놓지 않았다. 
 하지만 러시아의 과학자들은 보석 시장에서의 판매를 위하여 니어 컬러리스의 합성 다이아몬드를 금속성 용제 플럭스에서 성장시켜 생산하게 되었고, 미국의 채텀사와 공동으로 사업을 추진하였으나 무산되었다. 
 이후 태국과 러시아의 합작 투자회사인 타이러스(Tairus)에서는 제한적인 양이기는 하지만 황색의 러시아제 합성 다이아몬드를 반지 및 펜던트 세트로 구성하여 미국에서 판매하였으며, 1990년대 말에는 투손(Tucson) 보석 쇼에서 적은 양의 러시아에서 생산된 합성 다이아몬드가 판매되었다. 
 1990년대에 거래된 니어 컬러리스의 합성 다이아몬드의 양은 극히 제한적이며, 크기도 0.50캐럿 이하로서 대부분이 0.30캐럿보다 작았다. 
 2003년부터 제메시스(Gemesis)사와 채텀(Chatham Created Gems)사 및 아폴로 다이아몬드 사가 합성 다이아몬드의 상업적인 생산과 판매에 나서고 있다. 
 제네시스에서는 금속성 용제 플럭스를 사용한 고압 법 (1,500℃의 58,000기압 하에서)으로 보석 품질의 2.80캐럿의 황색 합성 다이아몬드 결정을 3.5일에 걸쳐  1.5캐럿 이상으로 연마가 가능하다. 제메시스는 황색의 다이아몬드 이외에도 핑크 및 블루 합성 다이아몬드도 생산하고 있다. 

 채텀사는 비밀에 부쳐진 아시아의 새로운 공급원으로부터 옐로, 블루, 그린 및 핑크의 합성 컬러 다이아몬드를 제공받아 판매하고 있다. 이 다이아몬드들은 색상과 약한 채도로 인하여 대부분의 다른 합성 다이아몬드보다 천연에 가깝게 보인다. 
 아폴로 다이아몬드사는 CVD법에 의해 Ia형의 평판상(tabular) 결정을 성장시키고 있다. 현재 아폴로사의 합성 다이아몬드는 무색에 가깝거나, 회색을 나타내는 것도 있으나, 대부분은 밝음~어두운 갈색을 띠고 있어, 생산 후 HPHT 처리를 통해 무색화 시켜 판매하고 있다. 또한 라이트 핑크, 블루 및 블랙 합성 다이아몬드도 생산하고 있다. 아폴로사에서는 2004년부터 0.2~0.3캐럿 크기의 합성 다이아몬드를 시판한다고 발표하였다.