다이아몬드 합성 방식 — 고온고압

현재 세계에서 널리 사용되는 고온고압 합성 다이아몬드의 장비는 주로 양면 앤빌(belt, 유럽과 미국에서 주로 사용), 육면 앤빌(중국 특유), 그리고 분할 구형(barssplitsphere, 러시아) 또는 개량된 분할 구형(Gemesis 회사) 방식이 있다.

1954년 크리스마스를 앞두고, 미국 제너럴 일렉트릭(GE)사는 고온고압 방식   (High Pressure and High Temperature, HPHT)  을 이용해 70,000기압과 섭씨 1,600도의 환경에서 흑연을 다이아몬드로 전환시키는 데 성공하였으며, 최초의 인조 다이아몬드를 합성해냈습니다. 하지만 이 다이아몬드는 매우 작아서 지름이 겨우 0.15mm에 불과했습니다.

고온고압 합성법은 ‘씨앗 결정 촉매법’이라고도 불립니다. 흑연은 저압에서 안정된 상이고, 금강석(다이아몬드의 광물학적 명칭)은 고압에서 안정된 상입니다. 흑연이 금강석으로 직접 전환되기 위해서는 매우 높은 압력과 온도가 필요하며, 일반적으로 10GPa, 3000℃ 이상의 조건이 요구됩니다. 하지만 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co) 등의 금속이나 그 합금을 촉매로 사용할 경우, 흑연이 금강석으로 전환되는 데 필요한 온도와 압력 조건이 크게 낮아지게 됩니다. 따라서 현재의 고온고압 방식 합성 다이아몬드 기술에는 반드시 금속 촉매가 사용됩니다. 이러한 금속 촉매는 일반적으로 탄소원(보통 흑연)과 다이아몬드 씨앗 결정 사이에 위치하게 되며, 탄소원은 고온 쪽, 씨앗 결정은 저온 쪽에 놓입니다. 고온 쪽에서는 탄소의 용해도가 더 크고, 저온 쪽에서는 더 작기 때문에, 이 온도차로 인해 발생하는 용해도 차이가 탄소가 고온에서 저온으로 확산되는 동력이 됩니다. 탄소는 씨앗 결정 부근에서 서서히 석출되며, 이로 인해 다이아몬드 결정이 점차 성장하게 됩니다. 이처럼 결정 성장의 동력이 온도차에 의해 발생하기 때문에, 이 방법을 온도차법이라고 부르기도 합니다.

HTHP 합성된 다이아몬드는 일반적으로 정육면체, 팔면체 또는 그 두 가지의 복합 형태를 띠며, 색상은 주로 노란색이나 황갈색입니다. 내부에는 흔히 색띠나 금속 포획물 등이 관찰되며, 녹지 않은 금속 포획물은 침상, 판상, 소기둥 모양 또는 불규칙한 형태를 가지며 금속 광택을 나타냅니다. 이러한 금속 포획물로 인해 합성 다이아몬드는 자성을 띠는 경우가 많습니다.