합성 다이아몬드

▶ 합성 다이아몬드

합성 다이아몬드 또는 인공 다이아몬드는 지구 내부에서 생성되는 천연 다이아몬드에 대해 과학 기술에 의해 인공적으로 제작한 것이다. 주로 고온 고압 합성(HPHT)과 화학 기상 증착(CVD)법에 의해 합성된다. 

 

1879년부터 1928년에 걸쳐, 합성을 시도했지만 모두 실패했다. 1940년대에는 미국, 스웨덴, 그리고 소련이 CVD법 및 PHT법을 이용한 합성을 체계적으로 연구하기 시작하여 1953년 무렵에 처음 재현 가능한 합성 방법을 발표했다. 현재는 이 두가지 방법으로 주로 합성되어있다. CVD법, PHT법, HPHT법 이외에서는 1990년대 후반에 탄소 원소를 포함 폭약을 사용하여 폭발에 의한 합성법이 개발되었다. 또한, 고출력 초음파를 이용하여 흑연을 처리하는 캐비테이션 방법도 있지만, 아직 상업적으로 이용되고 있지 않다. 

 

특성은 합성 방법에 따라 다르며, 경도 및 열·전기 전도성, 전자 이동도가 천연의 것보다 뛰어난 특성을 가진다. 이 때문에 연마, 절삭 공구, 히트 싱크대싱크 (방열판) 등에 널리 사용된다. 또한, 발전소의 고전압 개폐기 고주파 전계 효과 트랜지스터와 발광 다이오드로 이용이 진행되고 있다. 

 

PHT법이나 HPHT법이나 CVD법으로 합성된 것은 보석으로도 이용된다. 천연 다이아몬드 무역 회사에는 중요한 관심사이며, 천연의 것과 구별하기 위해 분광 장치를 개발하는 등 다양한 대책이 되어있다.

 

▶ 합성 시도

1797년에 다이아몬드는 탄소만으로 구성되어있는 것이 발견되면 과학자들은 저렴한 탄소 재료를 이용한 합성을 시도했다. 1879 년에 제임스 발렌타인·하네 이이하네이이 처음 합성에 성공했다. 그들의 방법은 탄소를 포함 철제의 도가니에 숯을 3,500°C까지 가열 합성하는 방법이었다. 하네 이은하네이은 뜨거운 파이프를 사용했지만, 모앗산은 새롭게 개량된 아크 용광로를 사용했다. 녹은 철은 물에 담그면 급격히 냉장하면서 아마도 철분이 응고할 때 발생하는 부피 수축이 흑연의 변화에 매우 높은 압력을 발생시킨 것이 아닐까 생각되었다. 모앗산는 1890년대에 연구 논문을 발표하고 있다. 이 당시의 실험을 재현하고도 온도와 압력이 모자라 모앗산이 실시한 실험과 같은 결과는 얻을 수 없다고 되어 같은 작업을 계속 반복하면서 뿌리가 다한 조수가 실험 절상을 결정하도록 천연의 것과 입자를 섞은 것이 아닌가 하는 설이 존재한다. 

 

많은 과학자가 모악산모앗산 실험을 재현하려고 시도했다. 윌리엄 크룩스크 룩스 경이 1909년에 성공하고 또한 오토루흐가 1917년에 합성한 것이 지름 7mm까지 성장했다고 보고했다. 나중에 그것을 철회했다. 맥퍼슨 대학의 윌라드 허쉬 박사는 모앗산과 루흐 실험을 재현했다. 그 시료는 미국 캔자스의 맥퍼슨 박물관에 전시하고 있다. 그러나 다른 실험들은 3명의 실험 방법을 사용해도 합성할 수 없었다. 

 

증기 터빈을 발명한 것으로 알려진 기술자의 찰스 앨저넌 파슨스 경이 가장 신뢰할 수 있는 합성 방법을 확립시켰다. 그는 40년의 세월과 재산 대부분을 할애하여 모앗산 실험을 했지만, 결과적으로는 자신만의 합성 방법을 짜냈다. 그는 몸 사리지 않고 연구를 계속하고 꼼꼼하게 실험 결과를 기록했다. 현재 그가 만든 모든 시료는 추가 분석을 위해 저장되어있다. 또한 그는 고온 고압 합성법을 이용하여 작은 다이아몬드의 합성에 성공하고 그에 관한 다수의 논문을 썼다. 그러나 모앗산이나 담당자가 수행한 모든 실험에서 합성할 수 없다고 천명한 논문이 1928년에 박사에 의해 발표되었다.

 

▶ GE 다이아몬드 계획 

1941년에 합성의 새로운 개량을 목표로 제너럴 일렉트릭 사, 노턴 사, 카보런덤 사의 3사가 합동으로 연구를 시작했다. 그들은 몇 초 동안 3.5 GPa의 압력 아래에서 3000°C까지 탄소를 가열시키는 데 성공했지만, 이후 제2차 세계대전에 의해 계획을 중단하지 않을 수 없게 되었다. 1951년에 뉴욕의 스키넷타디 연구소에서 재개하고 트레이시 홀이 이끄는 고압 합성 다이아몬드 연구팀이 결성되었다. 이 연구소의 다이아몬드 앤 빌 셀이 1946년에 노벨 물리학상을 수상했다. 파시 브리지맨에 의해 디자인이 개선되었다. GE는 텅스텐 카바이드 제 모루를 이용하여 가톨릭 나이트의 용기에 넣은 시료에 압력을 가하는 방법을 사용하여 공교롭게도 그 방법으로 합성되었지만, 재현성은 얻어지지 않았다. 나중에 그것은 결정핵으로 사용된 천연 다이아몬드로 밝혀졌다. 

 

1954년 12월 16일에 홀 벨트 프레스형 모루를 이용하여 최초의 상업적인 합성에 성공하고 1955년 2월 15일에 공표되었다. 이 모루 내에서 온도 2000°C 이상, 압력 10GPa 이상 상태를 만들어 낼 수 있고 용융된 니켈·코발트·철에 용해된 흑연을 잎 왁스 돌의 용기에 넣어 사용한다. 용해된 금속은 촉매와 같은 역할을 하여 흑연을 녹일 뿐만 아니라 다이아몬드로 변화시키는 속도를 올리고 있다. 그가 합성 한 것은 최대로 지름 0.15mm에서 너무 크기가 작은 보석으로는 불완전한 것이었지만, 산업용 연마재로 사용할 수 있었다. 홀 동료들도 합성하는 데 성공하고 연구 결과를 과학 전문지 네이처에 게재 했다. 홀은 재현·증명 가능한 합성하고, 또한 충분한 뒷받침이 있는 합성 과정을 창출 한 인물이 되었다. 그는 1955년에 GE의 퇴사 3년 후 새롭게 합성용 모루를 개발하고 지금까지의 연구 성과를 칭송 미국 화학회 상을 받고 있다.

 

▶ 후속 연구 개발

1953년 2월 16일 스웨덴의 대기업 전기 기기 메이커 AESA 사도 독자적으로 완성했다. 1949년에 "QUINTUS"라는 코드 이름으로 불린 극비 다이아몬드 합성 프로젝트로, 5명의 과학자와 기술자를 고용 연구에 착수했다. 그들은 큰 분할 공 장치를 사용하여 장치의 압력을 1시간에서 8.4GPa 유지하는 데 성공했다. 그러나 보석은 크기도 질도 떨어지는 아주 작은 다이아몬드밖에 생성하지 못하고, 1980년대까지 연구 결과를 보고하지 않았다. 그 AESA 사에 새로운 경쟁자가 나타났다. 그것은 한국의 일진 다이아몬드라는 회사에서 수백 개의 중국 기업을 따르게 대기업이었다. 그러나 이 회사는 전 GE의 한국인 직원의 GE 사의 영업 비밀을 남용하는 개발 기술에 의한 합성이라고 알려져 있다. 

 

1970년에 GE 사의는 보석과 동등한 품질을 갖는 것을 최초로 개발하고, 1971년에 이 연구 결과를 발표했다. 방법은 잎 왁스 돌의 원통형 용기의 양쪽에 다이아몬드 입자를 교배하고 흑연을 용기의 중심으로, 또한 니켈을 이용한 금속 용매를 흑연과 다이아몬드를 심어준 용기의 가장자리 사이에 설치했다. 이 용기를 가열하고, 5.5GPa까지 가압했다. 결정은 용기의 중심에서 양쪽을 향해 석출 시간이 지남에 따라 결정도 성장했다. 처음에는 한 주간 실험도 보석으로 가치가 있는 것은 크기 약 5mm, 무게 1캐럿의 다이아몬드밖에 생성하지 않고 합성 조건은 가능한 한 안정해야 했다. 따라서 목적의 결정 모양에 훨씬 잘 제어할 수 있도록 원료인 흑연은 다이아몬드 입자로 변경되었다. 

 

초기의 보석용은 불순물로써 질소가 포함되어 있으므로 항상 노란색이나 갈색을 띠고 있었다. 질소를 제거하고 알루미늄과 티타늄을 가하면 무색투명하게 되어, 붕소는 파란색을 보였다.

 

GE 사가 제작한 것으로 천연의 것과 화학적으로 같지만, 물리적 특성은 달랐다. 무색의 다이아몬드에 단파장의 자외선을 조사하면 형광과 인광을 발생하지만, 비교적 긴 파장의 자외선은 이러한 현상이 일어나기 어렵다. 희귀 천연 청색 다이아몬드도 이런 특성을 나타낸다. 천연의 것과 달리, GE 사가 합성한 것이 X선을 돌리면, 진한 황색의 형광을 발표했다. 드비어스 사의 다이아몬드 연구소에서 고온고압법으로 6주간 합성을 지속해서 고품질의 25캐럿 물건의 합성에 성공했다. 하지만 경제적인 이유도 고려하여 1.0 - 1.5 캐럿의 크기가 최선이라고 결론지었다. 

 

1950년대 옛 소련과 영국은 800°C의 비교적 낮은 온도에서 탄화수소 가스의 열분해에 의한 합성 연구를 시작했다. 이 낮은 온도에 의한 합성 방법은 화학 기상 증착법이라고 한다. 1953년 윌리엄 G 에버 솔에 의하면, 다이아몬드 기판상에 다이아몬드 증착한 막이 생성한다고 보고 있지만, 1962년까지 연구 결과가 발표되지 않았다. 그러나 1968년에 앵거스와 그 동료들이 합성에 성공했고, 1970년에도 데랴긴과 훼도세에후가 독자적으로 다이아몬드 막의 합성에 성공했다. 에버 솔과 앵거스 비싼 단결정의 큰 다이아몬드를 기판으로 사용했지만 데라긴들은 실리콘과 금속 기판에서 생산하고 있다. 1980년대는 데라긴들의 연구 성과에 의해 어떻게 저렴한 다이아몬드 막을 증착시키는가에 대한 연구 개발이 급속히 진행되었다.