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산업용 다이아몬드, 즉 합성 다이아몬드는 주로 세 가지 제조 방법으로 생산됩니다. 첫째, 고온 고압(HPHT, High-Pressure High-Temperature) 방법, 둘째, 폭발법, 셋째, 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)입니다. 이 글에서는 이 세 가지 다이아몬드 제조 방법과 그에 따른 특성에 대해 간략히 소개하여, 고객들이 가장 적합한 선택을 할 수 있도록 돕겠습니다.
목차
1. 고온 고압 HPHT
다이아몬드의 성분은 알려진 바와 같이 탄소(C) 하나뿐이며, 흑연도 역시 탄소(C)로 이루어져 있습니다. 그러나 구조에 차이가 있습니다. 흑연은 SP2 구조로 삼중 결합의 이차원 분자 면(CN=3)을 이루고, 다이아몬드는 SP3 구조로 사중 결합의 삼차원 분자체(CN=4)를 형성합니다. 따라서 흑연에 충분한 압력과 온도를 가하고, 적절한 촉매를 추가하면 흑연을 다이아몬드로 변환할 수 있습니다. 일반적으로 흑연을 다이아몬드로 변환하려면 1200-1500도C의 고온과 5-7만 대기의 압력이 필요합니다. 이러한 장비에는 두 면과 여섯 면 방식이 있으며, 여섯 면 방식은 생산 비용과 효율성 면에서 두 면 방식보다 비용을 절감할 수 있어 현재 90% 이상의 고온 고압 다이아몬드는 여섯 면 방식으로 생산되고 있습니다.
2. 폭발법
폭발법으로 다이아몬드를 제조하는 방법에는 두 가지가 있습니다：
- 직접 합성： 밀폐된 공간에서 폭발물을 점화하여, 공간 내에서 발생한 가스 폭발로 인해 많은 탄소 원자들이 서로 충돌하여 고압을 생성하고, 산소가 부족한 상태에서 폭발물 자체의 탄소 원자가 순간적으로 압축되어 폭발 찌꺼기를 만듭니다. 이 방식으로 얻어진 다이아몬드 입자는 매우 작고 표면적이 커서 많은 불순물을 흡착합니다. 이 직접 합성 방법은 단결정 나노 다이아몬드를 생산하는 데 적합합니다.
- 초음파 충격파로 돌격하는 석탄： 또 다른 폭발법은 초음파 충격파를 이용해 석탄을 충격하여, 석탄을 순간적으로 미세한 크기의 다이아몬드로 변환시키는 방법입니다. 이 방식은 석탄과 구리 가루를 고르게 혼합하고, 등압법으로 원통형으로 만들며, 원통은 내부에 진공층을 포함한 강철관으로 밀봉됩니다. 그 후 몇 톤의 폭발물을 주변에 채워 넣고, 폭발물을 점화하여 강철관을 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 압축시키면, 강철관 내부의 석탄은 수천도와 약 20~30만 대기의 압력에 순간적으로 노출됩니다. 이 과정에서 석탄은 수 마이크로초 내에 다이아몬드로 변하게 됩니다. 이 방법으로 만들어진 다이아몬드는 많은 결함을 포함한 다결정체로, 형태가 팝콘이나 감자 모양처럼 보이며, 주로 다결정 나노 다이아몬드 또는 미세 다이아몬드를 생산하는 데 사용됩니다.
3. 기상 증착법 CVD
기상 증착법,즉 CVD다이아몬드는 상대적으로 새로운 다이아몬드 배양 방법입니다.
이 방법은 포함된 탄소 가스(메탄가스)를 진공실에 주입하여 진공실의 바닥에 탄소 플라즈마를 형성합니다. 이 플라즈마는 지속적으로 압력실 바닥의 탄소층에 침착됩니다. 전체 결정화 과정은 수주에 걸쳐 이루어지며, 생성된 판상 결정은 대개 검은색의 거친 가장자리를 가지며, 결정 자체도 갈색을 띠는 경우가 많습니다. 그러나 이러한 색상은 열처리를 통해 제거할 수 있습니다. CVD 합성법을 통해 배양된 다이아몬드 결정은 대부분 갈색 또는 연한 회색을 띠지만, 진공실에 소량의 질소나 붕소를 추가하면 노란색, 분홍색-오렌지색 또는 파란색 결정도 배양할 수 있습니다. 이 방법을 통해 무색 결정도 배양할 수 있지만, 배양 기간은 더 길어집니다. CVD 합성법으로 배양된 다이아몬드는 대부분 IIa형으로, 시장에서 판매되는 대부분의 무색 다이아몬드는 HPHT(고온 고압) 어닐링 탈색 처리된 갈색 결정입니다. CVD 합성법과 HPHT 합성법으로 배양된 다이아몬드는 보석학적으로 다른 특성을 가지며, CVD 합성법으로 배양된 다이아몬드는 일반적으로 더 높은 투명도를 가지고 있으며, 미세한 어두운 색소가 거의 포함되지 않습니다.
