합성 다이아몬드의 감별

== 합성 다이아몬드의 감별 == 

1. 고압 법에 의한 합성 다이아몬드의 감별 
 1990년대 들어서 고온고압(HPHT) 법에 의한 합성 다이아몬드가 보석 시장에 유통되기 시작했다. 이들 대부분은 2캐럿 이하의 Ib 형의 옐로로서, 소량이기는 하지만 Ia 형의 컬러리스 및 Ib 형의 블루도 존재하며, 최근에는 방사선 조사 및 열처리에 의하여 핑크~레드 또는 퍼플로 변화된 것도 있다. 
 기존의 상업적 용도의 합성 다이아몬드는 주로 러시아의 기술을 사용한 것이었으나, 근래 들어서 미국의 제메시스사는 러시아의 기술을 독자적으로 개량하여 합성 다이아몬드를 양산하고 있으며, 채텀사에서는 러시아의 기술과는 별개의 기술로 제조된 다양한 색의 합성 다이아몬드를 판매하고 있다. 

(1) 내포물 
 천연의 다이아몬드는 지하 140~200km의 상부 맨틀에서 생성된다고 생각되며, 다이아몬드 내부에는 함께 공존하는 파이 로프 가닛, 다이옵사이드, 페리도트, 엔스타다이트 및 다이아몬드 등의 광물이 인클루전으로 존재할 수 있다. 
 하지만 고온고압 법에 의한 합성 다이아몬드는 제조회사나 합성된 색에 따라 다르지만, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등의 금속 용매를 사용하므로, 자주 불투명한 금속 인클루전을 내포하고 있다. 
 이 같은 금속 인클루전은 자성을 지니기 때문에 이들을 다수 내포한 합성 다이아몬드는 자석에 달라붙는다. 특히 컬러 리스나 블루의 합성석은 질소 게터(getter)를 사용하기 때문에 금속 인클루전을 내포할 가능성이 높다. 
 천연 다이아몬드에도 크로마이트 등의 금속 인클루전이 내포된 경우가 있으나 이들은 합성 중의 금속과는 형태가 다르며 자성도 없다. 
 현재에는 과거에 비해 이 자성 검사는 그다지 유용하지 못한 경우가 많다. 제품 되어 있거나, 작은 크기일 경우 확인이 어려우며, 기술의 발달에 따라 금속성 인클루전의 양이 점차 감소하고 있기 때문이다. 

(2) 컬러 조닝(그레이닝) 
 천연 다이아몬드는 주로 성장 과정 중 불순물 원소(주로 질소)의 유입 상태의 차이에 의해 컬러 조닝이 형성되며, 일반적으로 팔면체 면에 평행하다. 또한 결정 생성 후의 소성변형에 의해서도 브라운이나 핑크의 컬러 조닝이 형성된다. 이들은 팔면체 면에 평행하며 서로 교차하고 있어 천연의 특징이 된다. 
 합성 다이아몬드에서는 섹터마다 불순물 원소의 유입 상태가 다르기 때문에, 일반적으로 섹터 조닝에 대응한 명료한 컬러 조닝이 확인된다. 이에 따라 합성 다이아몬드에는 자주 십자 형태나 정사각형이 조합된 컬러 조닝이 관찰되어 합성의 감별 특징이 된다. 
 또한 연마된 합성 다이아몬드의 퍼빌리언 쪽에서 관찰했을 때 “모래시계”형태의 그레이딩이 보인다면 합성의 증거가 될 수 있다. 이 형태는 합성 다이아몬드의 팔면체 및 육면체 성장 패턴과 관련되어 나타나며 천연에는 보이지 않는다. 
 유색 합성 다이아몬드는 내부 성장 섹터 사이의 불순물 차이에 의해 자주 명료한 컬러 조닝을 나타낸다. 이 조닝의 패턴은 크라운과 퍼빌리언 패싯을 통하여 관찰할 수 있으며, 액체(여기서는 물)에 침적하면 좀 더 용이하게 관찰할 수 있다. 

(3) 이상 복굴절 
 다이아몬드는 등축정계에 속하며, 광학적으로 등방성(단굴절성)을 나타낸다. 그러나 다수의 천연 다이아몬드는 교차 편광 하에서 이상복굴절을 나타낸다. 천연 다이아몬드에 관찰되는 이상 복굴절은 성장에 의한 것과 소성변형(strain)에 의한 것으로 나눌 수 있으며, 특히 소성변성은 천연의 감별 특징이 된다. 
 소성변형에 의한 이상 복굴절의 전형적인 형태는 I형 다이아몬드에 나타나는 이른바 크로스 해치(cross hatch) 형태이다. 이것은 1970년대에 일본의 한 연구자가 Ⅱ형에서 관찰된 이상 복굴절의 모양이 '다다미의 발과 같다'고 표현함으로써 일명 “다다미 매트”라고도 부른다. 이에 대하여 합성 다이아몬드는 섹터에 따른 이상 복굴절이 보이는 정도일 뿐 이 다다미 매트는 보이지 않는다. 

(4) 자외선 형광 
 천연 다이아몬드는 자외선에 대하여 다양한 형광 반응을 나타내는 것으로 알려져 있다. 가장 일반적인 색은 청색이며, 그 외에도 녹색, 황색, 오렌지색 등의 형광색을 나타낸다. 합성 다이아몬드에 있어서도 자외선 형광에 특징이 나타나는 경우가 많다. I형의 컬러리스는 단파 자외선 하에서 황백색의 인광(phosphorescent)을 나타내며, 핑크에서는 오렌지색의 발광이 관찰된다. 또한 HPHT 처리된 채도가 높은 옐로의 합성에서는 황록색의 강한 형광이 나타나는 경우가 있다. 
 하지만 최근에는 형광색보다 형광의 패턴(또는 조닝)이 더 중요시 되는 경우가 자주 있다. 천연 다이아몬드는 일반적으로 장파에서 청색의 형광을 나타내며, 단파에서는 좀 더 약한 황색을 나타낸다. 또한 그 패턴은 평면적으로 거의 균일하게 나타난다. 이에 반해 합성은 장·단파 모두에서 주로 황색 또는 황색을 띤 녹색의 형광을 나타내며, 단파에서의 반응이 장파에서의 반응보다 자주 눈에 띄게 강하게 나타난다. 합성 다이아몬드의 특이한 결정 성장 구조로 인하여 형광의 패턴이 십자가 형태나 팔각형(또는 유사한 도형)을 나타내는 것이 일반적이다. 

2. CVD 법에 의한 합성 다이아몬드의 감별 
 아폴로 다이아몬드사의 CVD 합성 다이아몬드가 시장에 나오게 되면 일반적인 보석감별 장비를 이용하여 감별할만한 특징이 거의 없기 때문에 보석상이나 보석전문가 조차도 감별에 어려움을 느끼게 될 것이다. 
 만약 다른 색에 의한 층, 커트 스톤의 얕은 전체 깊이, 특징적인 소성변형 및 인클루전등이 존재한다면 CVD 합성 다이아몬드라는 단서를 제공할지도 모른다. 
 CVD 합성 다이아몬드에는 각기 다른 갈색의 층이 관찰되거나, 붕소가 첨가된 경우에는 각기 다른 청색의 층이 관찰될 수 있으며, 이는 천연의 다이아몬드나 고온 법에 의한 합성 다이아몬드에서 보이는 것과는 다르다. 
 인클루전으로는 CVD 성장층 사이의 경계면과 평행한 면에 비(非)다이아몬드 탄소로 이루어진 핀포인트 무리가 극히 드물게 발견될 수 있다. 
 교차한 편광(다크 포지션)을 사용하여 성장 방향을 따라 관찰해보면 소성변형에 의한국지적인 이상 복굴절 현상이 나타날 수도 있으나, 보편적으로는 천연의 Ⅱ형 다이아몬드에 보이는 '다다미 패턴' 의 이상 복굴절이 결여되어 있다. 또한 이와 함께 특징적인 오렌지색의 형광은 합성 기원을 시사한다. 
 하지만 정확한 감별을 위해서는 포토루미네선스(PL, photoluminescence)를 비롯한 향상된 분광광도계와 같은 고가의 장비를 이용해야 한다.