류남매 블로그

 

 "반짝인다고 해서 모두 금은 아니다" 라는 서양 속담이 있다. 이는 "반짝거리는 무색의 보석이라해서 모두 다이아몬드는 아니다”라는 말로 해석할 수도 있을 것이다. 다이아몬드는 가치가 가장 높은 보석 중 하나이다. 사람들은 이런 값비싼 다이아몬드를 대용하기 위하여 외관적으로 유사하며 값이 싼 물질에 관심을 갖게 된다. 이런 물질은 천연의 물질일 수도 있고, 인위적으로 만들어진 물질일 수도 있다. 이와 같이 어떤 보석을 모방하여 사용하는 물질을 유사석(simulants)이라 하며, 매력적인 유사석은 사람들의 관심을 끌기에 충분하여, 저렴한 가격에 다이아몬드와 같은 느낌의 장신구를 원하는 사람들이 주로 사용한다. 
 18세기에 유리를 소재로 한 다이아몬드의 유사석이 등장한 이래 현재까지 많은 물질들이 다이아몬드를 대용하여 사용되어 오고 있다. 새로이 등장한 유사석은 이전의 것을 대체하여 사용되고 있어, 초기에 사용되었던 많은 유사석들은 현재 더 이상 사용되지 않는 것이 많지만 유사석에 대한 지식이나 감별 능력이 없는 경우에는 큰 곤경에 빠질 수도 있으므로 주의해야 한다. 


< 다이아몬드 유사석의 종류> 

1. 초기의 다이아몬드 유사석 
 무색의 유리(glass)는 고대 이집트 시대부터 만들어지기 시작하여 오랫동안 장신구나 일상용품의 제조에 사용되어 오고 있다. 당시 유리는 일반적으로 브릴리언스나 파이어가 결여되어 있었으나, 18세기 들어 유럽의 유리 제조업자들은 유리에 산화납을 첨가하여 굴절률을 높임으로써 좀 더 많은 브릴리언스와 분산을 얻을 수 있게 되었다. 이런 고굴절의 유리는 다이아몬드의 모조품으로써 훌륭한 역할을 할 수 있었으며, 이러한 종류의 유리를 당시의 유명한 세공업자인 조지 스트라스의 이름에서 '스트라스 글라스(strassglass)'라 부르거나, 유리의 용융 상태가 이탈리아 음식인 '파스타 (pasta)’를 휘저을 때의 모습과 유사하다 하여 '페이스트 글라스(paste glass)' 라 부르기도 하였다. 
 산화납을 다량으로 포함한 유리는 경도가 낮아지는 단점이 있으나, 굴절률과 비중 및 브릴리언스와 분산을 증가시킬 수 있다. 하지만 여전히 다이아몬드 비해 브릴리언스, 경도 및 광택이 훨씬 떨어지기 때문에 쉽게 구분된다. 
 포일백(foil-back)은 유리나 보석의 뒷면에 금속을 덧대거나 도포(칠)한 것을 말한다. 오래전부터 많은 보석들이 색이나 브릴리언스의 변화를 위하여 포일백 되어 왔으며, 다이아몬드도 16세기에 이미 뒷면에 천연수지를 도포하여 일부의 색을 얻었다고 전해지고 있다. 
 다이아몬드 유사석으로서의 포일백 유형을 라인스톤(Rhinestone)이라 부르며, 현대에는 금속질의 부착보다는 수은이나 금속산화물을 이용하여 얇은 막을 입혀 거울과 같은 역할을 할 수 있도록 하여 브릴리언스가 증가되도록 만들어 사용한다. 
 그 외에도 19세기 중반에는 '가닛과 유리의 더블릿' 이 사용하기도 했다. 가닛은 유리보다 경도와 광택이 뛰어나며, 유리의 색으로서 색의 조정이 가능하다. 현대의 장신구에서는 볼 수 없지만 앤티크한 장신구에서는 드물게 보이는 경우가 있다. 
 19세기 말에 프랑스의 화학자 베르뇌유(Auguste Verneuil)가 플레임퓨전법(flamefusion process)에 의한 합성 루비의 성장법을 개발함으로써 이후 무색의 합성 스피넬 및 합성 사파이어를 생산하게 되었고 이 두 종류는 종종 다이아몬드의 유사석으로 사용되었다. 

2. 합성 루틸과 스트론튬 티타네이트 
 루틸은 산화티타늄(TiO2)을 주성분으로 하는 광물로서 천연에서는 주로 침상의 결정으로 발견되며, 불투명하고 짙은 체색을 나타낸다. 
 합성 루틸(Synthetic Rutile)은 산소가 풍부한 환경에서 플레임퓨전법으로 제조되었다. 제조된 합성 루틸은 흑색의 볼(boule)을 형성하나, 이를 약 1,000℃의 열로 어닐링함으로써 옅은 청색이나 황색의 합성석을 얻을 수 있게 되었다. 1948년부터 이 옅은 황색의 합성 루틸은 다이아몬드의 유사석으로 사용되기 시작하여 한때 널리 시장에 보급되었다. 
 합성 루틸은 다이아몬드에는 미치지 못하지만 이전의 다른 유사석에 비하여 뛰어난 브릴리언스를 나타내나, 낮은 경도(6~6호)에 의한 흔적을 쉽게 발견할 수 있다. 또한 다이아몬드보다 훨씬 강한 분산(0.330)을 나타내므로 누구나 쉽게 구분할 수 있다. 다이아몬드와 달리 복굴절의 성질을 지니고 있으므로 테이블을 통하여 관찰되는 퍼빌리언 능선에 더블링 현상이 나타난다. 
 합성 루틸은 이전의 어떠한 유사석보다 뛰어난 브릴리언스를 나타내지만, 아주 강한 분산과 낮은 경도에 의한 흔적 (스크래치 및 어브레이전)으로 인해 다이아몬드와 쉽게 구분된다. 

 

● 편광(polarization) 
 빛은 전자기파의 일종으로서 진행할 때에 파동은 빛의 진로 주변의 모든 방향으로 다수의 파동이 진동하고 있다. 이 진동운동이 단일 방향 또는 단일면으로 한정되는 경우 이빛을 편광이라고 한다. 
● 등방성(isotropic) 또는 단굴절성(single refractive; SR) 
 등축정계 및 비결정질의 보석 내부에서는 어떤 방향에서나 빛의 진행 속도가 동일하여 모든 방향에서 일정한 굴절률을 나타낸다. 이와 같이 모든 방향에서 동일한 광학특성을 나타내는 것을 등방성 또는 단굴절성이라 한다. 등방성의 물질에서는 그 물질의 결정구조가 편광을 일으키지 않는다. 

● 이방성(anisotropic) 또는 복굴절성(double refractive; DR) 
 결정질의 보석 중 등축정계를 제외한 나머지 결정계의 보석들은 결정구조 때문에 내부로 들어온 빛이 다른 속도의 두 개의 광선으로 분리되며, 이 두 줄기의 광선은 각기 다른 굴절률을 갖는다. 또한 이 두 줄기의 광선은 서로 수직 방향으로 진동하는 편광이 된다. 이러한 성질을 이방성 또는 복굴절성이라 한다. 
 티타늄 화합물에 의한 합성 루틸의 제조에 성공한 이후, 1940년대 말부터 1950년대 초에 광학적으로 안정된 재질을 얻기 위하여 알루미늄, 바륨, 칼슘 및 아연 등을 이용한 티탄산 화합물의 제조 실험에 들어갔다. 그 중 가장 뛰어난 것이 스트론튬과의 화합물인 스트론튬 티타네이트(Strontium Titanate; 티탄산스트론튬)였다. 
 1953년 이후 다이아몬드의 유사석으로 등장한 스트론튬 티타네이트는 다이아몬드와 같은 단굴절의 성질을 나타내며, 합성 루틸에 비해 무색에 가깝고 분산도 줄었다. 하지만 여전히 다이아몬드보다 훨씬 강한 분산(0. 190)을 나타내며, 경도(5~6) 역시 낮기 때문에 내구성에 문제를 지니고 있었다. 

3. YAG와 GGG 
 이트륨 알루미늄 가닛(Yttrium Aluminum Garnet; YAG)과 가돌리늄 갈륨 가닛(Gadolinium Gallium Garnet; GGG)은 가닛과 같이 등축정계로 이루어져 있으나 화학성분은 어떠한 천연 가닛과도 같지 않은 인조석이다. 
 초기의 인조 가닛은 1960년대 초에 플럭스법에 의하여 제조되었으나, 결정의 성장이 어렵고 또한 높은 온도에서 철분의 변화에 의해 원하는 결정을 얻을 수가 없었다. 이어 1964년 초크랄스키법(Czochralski method)을 이용하여 레이저의 주원료로 사용할 수 있는 철분이 포함되지 않은 높은 순도의 YAG를 얻을 수 있게 되었다. 
 그 결과 무색의 YAG는 1960년대 말부터 스트론튬 티타네이트를 대신하여 다이아몬드 유사석으로서 사용되었다. YAG는 이전의 유사석보다 높은 경도(8)와 브릴리언시를 지녀 인기를 끌었으나, 낮은 분산(0.028)으로 인하여 현재에는 큐빅 지르코니아의 등장과 함께 쇠퇴하였다. 
 인조 가닛으로서 YAG에 이어 1970년대 초반에 초크랄스키법에 의해 제조된 GGG는 처음에 컴퓨터에 사용되는 자기 버블 메모리의 용도로 개발되었으므로, 이 목적을 위해 소성 변성이 없는 플로리스로 제조되어 YAG에 비해 제조단가가 훨씬 비쌌다. 
 GGG는 YAG에 비해 브릴리언스나 분산이 강하며, 특히 분산도(0.045)는 다이아몬드와 거의 같다. 하지만 YAG에 비해 낮은 경도(6)로 쉽게 스크래치가 생기며, 어떤 다이아몬드 유사석보다 비중(7.05)이 높다. 

4. 큐빅 지르코니아 
 현재 우리에게 다이아몬드 유사석으로 가장 널리 알려져 있는 것은 큐빅 지르코니아(Cubic Zirconia; CZ)이다. 일부에서는 큐빅 지르코니아는 천연에 결정구조나 화학조성이 유사한 광물이 존재한다고 하여 합성석이라 하기도 하나, 다수의 학자들은 모든 특성이 같은 광물은 없다하여 인조석이라 표현하고 있다. 
 큐빅 지르코니아는 1970년대 초 옛 소비에트연방(지금의 러시아)의 물리학연구소에서 지금은 스컬 멜팅(skull melting)이라 부르는 독특한 방법으로 제조되었다. 주성분인산화지르코늄(지르코니아)은 융점(2,750℃)이 극히 높아 기존의 결정 육성 도가니로 사용되는 백금이나 이리듐에서는 육성할 수 없기 때문에 이런 독특한 방법으로 제조된다. 
 이 방법은 고주파에서 가열된 원료를 외부에 냉각시켜 그 자체를 도가니로 하여 내부에서 결정을 성장시키는 방법이다. 결정 육성 후 이를 꺼낼 때 벽면 쪽의 원료가 결정화하지 않아, 응고된 흰 표피를 만들고 이것이 두개골처럼 보인다하여 스컬(skull; 해골)이라는 용어를 사용하게 되었다. 
 큐빅 지르코니아는 주원료인 산화지르코늄만으로 결정화하는 경우 높은 융점으로 인해 성장이 곤란하므로 이의 보완을 위해 산화이트륨이나 산화칼슘을 안정제로 사용한다. 따라서 큐빅 지르코니아의 특성은 이 안정제의 농도에 따라 조금씩 다르다. 
 큐빅 지르코니아의 물리적 성질은 보석으로서 높은 요건은 갖추고 있어 브릴리언트 커트된 다이아몬드와 얼핏 보아서는 구분이 어렵다. 굴절률과 분산의 크기는 안정제의 종류와 농도에 따라 다르지만, 브릴리언스와 광택은 다이아몬드와 거의 같으며, 분산도(0.058~0.066)는 약간 더 높다. 경도는 8~8호로 내구성이 좋으며, 비중은 안정제의 농도에 따라 다르지만 약 5.8(5.4~6.0)로 같은 크기의 다이아몬드보다 더 무겁다. 
 큐빅 지르코니아는 1976년 말부터 다이아몬드의 유사석으로 소개되기 시작했으며, 이후 기존의 모든 유사석을 급속히 대체하게 되었고, 현재에는 저렴한 가격에 대량으로 공급되고 있다. 또한 각종의 착색제를 첨가하여 육성한 유색의 큐빅 지르코니아는 유색 다이아몬드의 훌륭한 유사석으로 사용되고 있다. 

5. 합성 모아사나이트 
 1990년대 후반 들어 새로운 다이아몬드의 유사석인 합성 모아사나이트(Synthetic Moissanite)가 시장에 등장하였다. 
 천연의 모아사나이트는 암석이나 운석 중에서 입상(粒狀)으로 가끔 발견되며, 드물게는 다이아몬드 속의 내포물로서 발견되기도 한다. 모아사나이트란 명칭은 운석 속에서 이 광물을 처음 발견한 노벨화학상 수상자인 프랑스의 화학자 앙리 무아상(Henri Moissan)의 이름을 따서 명명되었다. 
 이 새로운 유형의 합성 모아사이트는 연마제로 사용되는 '카보런덤(caborundum)' 이란 상품명의 탄화규소(silicon carbide; SiC)를 단결정으로 성장시킨 것이다. 이 합성 모아사나이트가 시장에 처음 나왔을 때 다이아몬드와 유사한 특성으로 인하여 업계의 관심이 모아졌다. 그 중 열전도율을 이용한 다이아몬드 테스터에서 '다이아몬드' 로 표시된다는 점과 사이즈에 대한 중량이 다이아몬드와 비슷하다는 점이었다. 또한 다른 유사석들과는 달리 합성 다이아몬드보다 비중이 낮다(3.22)는 특징이 있다. 
 합성 모아사나이트는 다이아몬드보다 브릴리언스가 약간 약하지만, 분산도(0.104)는다이아몬드나 큐빅 지르코니아보다 높아 더 많은 파이어를 나타낸다. 이러한 브릴리언스와 파이어의 양은 합성 모아사나이트를 더욱 매력적으로 보이게 한다. 
 다이아몬드와 합성 모아사나이트는 표준적인 보석학적 검사에서 구별이 가능하다. 다이아몬드는 단굴절이지만 합성 모아사나이트는 복굴절의 성질을 나타내므로 확대 하에서 테이블을 약간 기울여 페이스업으로 퍼빌리언 능선을 관찰하면 더블링 현상을 관찰할 수 있다. 또한 낮은 비중으로 인하여 다이아몬드와 달리 메틸렌 아이오다이드(비중3.32)에서 뜬다. 


 < 다이아몬드의 특성 > 
 광물들은 나름대로 고유의 물리적, 광학적, 화학적 특성을 지니고 있다. 특히 다이아몬드는다른 광물들보다 독특한 많은 특성을 지니고 있어 이러한 특성을 알고 있으면 유사석과의 구별이 용이해진다. 이런 특성 가운데에는 조금만 알면 쉽게 확인할 수 있는 경우도 있으나, 어떤 경우에는 전문적인 지식과 고도의 장비를 필요로 하는 경우도 있다. 

● 광학적 특성
  광학특성: 단굴절성(SR)
  굴절률 : 2.417분산도 : 0.044
  광택 : 금강광택(adamantine)
  투명도 : 극히 뛰어남 
● 물리적 특성 
  비중 : 3.52 
  경도 : 모스 경도 10 
  클리비지 : 팔면체면에 평행한 4방향
  프 랙 처 : 계단상(패각상의 프랙처에 직선적인 클리비지의 조합)
  내포결정: 전형적인 각진 내포물 
● 연마 상태 
  폴 리 시 : 극히 뛰어남 
  패싯 에지 : 날카로움 
  거들 : 대부분 왁시(waxy)~입상; 자주 연마되거나 패싯팅 됨; 비어딩
  내추럴 : 존재할 수 있다; 독특한 성장흔 
● 기타 
  분광 : 592, 504, 498, 478, 456nm및 415nm에 감별에 유용한 흡수선수분흡착성 : 매우 어렵다 
  열전도율 : 아주 높다 
  계단상 프랙처(다이아몬드) 
  자외선 형광 반응 : 일반적으로 청색(장파) 

==== 기기를 이용한 다이아몬드의 감별 ====

 
 급속한 과학의 발전은 진보된 보석학적인 검사를 요구한다. 이를 위한 하이테크 한 기구들은 매우 고가이며, 또한 그 결과를 해석하기 위해서는 전문적인 지식이 필요하므로 보석전문가로서는 접근이 어렵다. 
 이에 다이아몬드 분석을 위한 중요한 수단으로서의 일반기기(다이아몬드슈어, 다이아몬드 뷰 및 다이아몬드 플러스) 및 하이테크한 기구들을 간략하게 소개한다. 

1. 다이아몬드슈어(DiamondSure)와 다이아몬드뷰(DiamondView) 
 다이아몬드슈어는 I형의 N3 흡수(415nm의 케이프라인)를 확인하여 유사석과 합성 다이아몬드로부터 천연의 다이아몬드를 쉽게 구별할 수 있도록 드비어스사에서 개발한 기구이다. 
 나석은 물론 제품 된 상태에서도 검사가 가능하며, 0.05-10캐럿 범위에서 작업할 수 있도록 디자인되었다. 천연 다이아몬드 중 95% 이상이 415nm의 케이프라인을 나타내지만 합성 다이아몬드는 고압 프레스에서 고온으로 열처리되기 때문에 질소 함유 형태의 차이로 415nm의 흡수를 보이지 않는다. 
 천연 다이아몬드 중 5%는 D 컬러 및 E 컬러의 일부와 브라운 다이아몬드, Ib 형의 블루 다이아몬드, 일부의 팬시 옐로 및 일부의 핑크 다이아몬드로서 415nm의 흡수를 나타내지 않으므로 다이아몬드슈어는 이 종류와 합성 다이아몬드에 "REFER FOR FURTHERTESTS (추가 검사 요망)"라는 메시지를 나타낸다. 
 다이아몬드슈어에서 확인되지 않은 다이아몬드는 다이아몬드 뷰를 이용하여 검사한다. 다이아몬드 뷰는 자외선 여기 형광을 이용하여 천연과 합성 다이아몬드의 성장 구조를 관찰한다. 다이아몬드 뷰를 통해 관찰된 천연 다이아몬드와 합성 다이아몬드의 성장 구조에 의한 형광 패턴의 차이는 천연과 합성을 구분하는 데 도움을 준다. 

2. 다이아몬드 플러스(DiamondPlus) 
 다이아몬드 플러스는 고온고압(HPHT) 처리된 Ⅱ형의 다이아몬드를 검출하기 위해 개발되었다. 이 기구는 액화 질소에 침적한 연마된 다이아몬드의 고감도, 저온 포토루미네슨스를 측정할 수 있게 간편하고 기능적으로 만들어졌다. 
 천연의 Ia 형 무색 다이아몬드와 고온고압 처리되어 무색화된 Ia 형 다이아몬드 사이의 불순물과 구조적인 결함의 차이로 구별한다. 

3. 자외선-가시광선 · 근적외선 분광광도계(UV/VIS/NIR spectroscopy). 
 이 방법을 통하여 자외선-가시광선·근적외선 범위의 스펙트라를 얻을 수 있다. 이는 기본적으로 얼마만큼의 빛이 어떤 파장에서 흡수/투과되는가를 측정하여 그래프로 기록한다. 이렇게 얻어진 스펙트라 커브는 다이아몬드의 색의 기원에 대한 많은 정보를 준다. 대부분의 컬러 센터는 이 기술을 통해 탐지할 수 있다. 


4. 액체질소 침적(Liquid nitrogen immersion) 
 이 기술은 다이아몬드를 특수한 용기에 담긴 액체질소에 침적시키는 방법이다. 액체질소의 온도는 -196℃로서 이 극한의 온도는 UV/VIS/NIR과 Raman/Photoluminescencespectroscopy 등 모든 흡수 검사에서 최상의 정확성을 위해 필요하다. 드물게 액체헬륨(-269℃)을 사용하기도 한다. 

5. 적외선 분광기(FTIR 또는 IR spectroscopy) 
 800-25,000nm의 적외선 영역의 흡수를 측정한다. 이는 특히 다이아몬드의 타입을 결정하거나 미량원소의 농도를 측정하는 데 유용하다. 수소, 질소, 붕소의 존재나 부재가 다이아몬드의 타입을 말해준다. 

6. PL 분광기(Raman-Photoluminescence; PL) 
 다양한 파장(예를 들면 405, 514, 532nm)의 저출력 레이저를 보석에 집중시킨다. 광심(optical center)이 레이저에 의해 자극되어 측정 가능한 양의 형광을 방출한다. 이 형광 현상은 스펙트럼에 피크로 나타난다. 포토루미네선스는 특정한 컬러 센터를 찾아내며 다른 스펙트럼 수단보다 더 정교하여 특히 합성이나 HTHP 다이아몬드에 유용하다. 

7. 라만 분광기(Raman-Spectroscopy) 
 이것은 후방 산란 기법으로서, 다양한 파장(예를 들면 405, 514, 532nm)의 저출력 레이저를 보석에 집중시키면, 시료에 의한 재방출로 이 레이저광의 일부가 좀 더 긴 파장으로 전이되어 나타난다. 이때 “스토크스 방사(Stokes radiation)”라 부르는 피크들이 스펙트럼에 나타난다. 이 피크들이 테스트 된 물질에 대한 특징이다. 이 라만 현미 분광 기법은 표면에 닿아 있지 않은 보석 속의 대부분의 인클루전을 구별하는 데 유용하다. 이때 레이저는 현미경을 통해 집중되어 1미크론(=0.001mm)보다 작은 인클루전도 구별할 수 있다. 이런 요소는 천연 다이아몬드와 HPHT 처리된 다이아몬드를 구별하는 데 활용될 수 있다. 

8. CL 측정장치(Cathodoluminescence: 음극선 발광) 
 이 기술은 포토루미네선스와 유사하지만 레이저 빔 대신 전자빔을 사용한다는 점이 다르다. 이것은 분광기적으로 사용되거나, 관찰적인 기법으로도 사용된다. 특히 장단파 자외선에서의 형광 반응보다 뚜렷하고 확실한 성장 특성을 나타내므로 합성 다이아몬드의 구별에 유용하다. 또한 천연 다이아몬드에는 성장 과정이 반영된 확실한 발광선(CL상)이 보이고, 이 상의 패턴이 같은 다이아몬드는 없으므로 다이아몬드의 핑거 프린트로서 각각의 다이아몬드를 식별하는 수단으로 사용된다. 

== 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. 

< 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.