인공 다이아몬드란?(Feat. 탄소의 변신)

안녕하세요~흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

최근 실험실에서 인공다이아몬드가 양산되고 시장에 공급이 증가하면서

많은 소비자들이 비교적 저렴한 가격에 고품질의 다이아몬드를 얻을 수 있게 되었는데요!

 

현재 시중에 판매되고 있는 인공다이아몬드의 가격은 1캐럿에 약 160~200만 원대로 

이는 천연다이아몬드 가격의 불과 1/6 수준이기에 국내외에서 인기가 많은데요.

 

2016년 기준 인공다이아몬드의 시장규모는 15억 달러였으나 현재는 120억 달러가 넘으며

2030년까지는 약 500억 달러(약 67조 원)까지 커질 것으로 전망되고 있습니다!

 

오늘은 지구상 가장 아름다운 보석인 인공 다이아몬드에 대해 알아보겠습니다!

 

인공 다이아몬드

 

인공 다이아몬드

 

1. 인공 다이아몬드란?

 

흔히 인공 다이아몬드라고 불리는 보석의 정식명칭은

합성(Syntheitc) or 랩그론(Lab-Grown) or 랩크리에이티드(Lab-created) 다이아몬드로

말 그대로 실험실에서 합성한 다이아몬드를 의미합니다.

 

천연다이아몬드와 광학적, 물리적, 화학적 특성이 100% 동일하기에

일반적인 감별로는 구별이 불가능하며 전문가의 보석 감정 장비를 통해서만 구별할 수 있습니다.

 

그렇기에 인공다이아몬드는 소비자에게 유통 시 '다이아몬드'라는 단어를 단독으로 사용할 수 없고

반드시 정식 명칭인 합성, 랩그론, 랩크리에이티드 등의 수식어가 붙여져야 합니다.

 

2. 인공 다이아몬드의 탄소 합성

 

다이아몬드의 화학적 구성은 탄소('C')로 이루어져 있는데요.

그렇기에 탄소 덩어리인 흑연 분말을 사용하거나 다른 탄소화합물(메탄 등)을

활용하여 인공 다이아몬드를 제조합니다.

 

인공 다이아몬드 합성의 관건은 탄소 분자의 결정구조를 사면체의 격자구조로 만드는 것인데요.

흑연과 다이아몬드가 다른 점 또한 이 결정구조가 다르기 때문입니다.

 

※ 다이아몬드의 결정구조

 각각의 탄소원자가 4개의 이웃 탄소원자와 공유 결합하여

매우 규칙적이고 안정한 결합을 형성.

 

과학자들은 크게 HPHT와 CVD 이 두 가지 방법을 사용하여 

탄소 소재의 결정구조로 바꾸는 데 성공하였습니다!

 

흑연과 인공다이아몬드의 결정구조

 

HPHT(High Pressure and High Temperature)

 

HPHT란 1500℃의 높은 온도와 5 GPa의 높은 압력을 가하여

니켈, 철, 코발트 등의 촉매제와 함께 다이아몬드를 합성하는 것을 말합니다.

 

이 방법은 1955년 미국 뉴욕의 제너럴 일렉트릭 실험실에서 최초로 

HPHT 법을 사용한 인공 다이아몬드 생산 공정을 발견하였는데요.

 

지하에서 고온/고압의 조건에서 오랜 시간 걸쳐 만들어진 천연 다이아몬드의

생성과정과 유사한 환경을 만들어 크리스털 결정 구조를 형성하게 됩니다!

 

CVD(Chemical vapor deposition)

 

CVD(화학기상증착법)이란 흑연이 아닌 기체상태의 메탄(CH4)과 같은

탄소 화합물을 원료로 사용하여 다이아몬드를 생성하는 방법을 말합니다.

 

HPHT보다 낮은 온도와 압력인 700~1300℃, 1 기압이하의 진공상태에서

메탄가스와 수소가스를 주입 후 전자파를 흘려주어 플라스마를 형성시킵니다.

 

이렇게 수소와 탄소는 분리되게 되고 탄소 원자가 표면에 층을 이루듯이

천천히 증착하게 되어 결국에는 다이아몬드로서 성장하게 되는 것입니다!

 

CVD 합성 다이아몬드 HPHT보다 다이아몬드가 성장하는 속도가 빠르다는 장점이 있는데요.

일주일이면 1캐럿의 다이아몬드를 생성할 수 있기에 2020년대부터 더욱 널리 쓰이고 있습니다.

 

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3. 인공 다이아몬드의 특징과 용도

 

최근 기술의 발전으로 인해 보석용으로서 인공 다이아몬드 수요가 많아짐에 따라

소비자들의 관심을 끌었지만 사실 예전부터 인공 다이아몬드는 합성되고 사용되어 왔습니다.

 

공업용 다이아몬드는 기계, 금속, 자동차, 건축, 토목 등 산업 전반에 걸쳐 다양한 용도로 사용되는데요.

다이아몬드는 경도가 1~10중 10으로 긁힘에 대한 저항도와 단단함이 가장 높습니다.

(※ 경도와 달리 강도는 약하기 때문에 부딪힘에 대한 저항도는 낮아 망치등으로 내려치면 깨집니다.)

 

다이아몬드를 가공할 수 있는 금속은 다이아몬드 외에는 없을 정도로 지구상 가장 단단한 광물입니다.

그렇기에 마모되지 않고 광물, 금속, 유리 등 단단한 소재를 가공하는데 활용되고 있습니다.

 

 천연 다이아몬드가 비싼 이유는 희귀 광물이기도 하지만 드비어스(De Beers)라는 회사가

남아공베네치아광산을 대거 소유하여 양을 통제하고 조절함으로써

시세와 가치를 보존하기 때문입니다.

 

하지만 인공 다이아몬드의 기술 발전으로 인해 저렴한 가격으로

많은 소비자들이 특별함을 경험할 수 있다는 점,

그리고 천연 다이아몬드의 채굴보다 더 친환경적으로 생산할 수 있다는 점,

공업용, 보석용으로서의 활용도가 올라간다는 점 등 긍정적인 측면이 많다고 생각합니다.

앞으로도 다이아몬드 산업이 더욱 발하길 기대합니다!

 

이상 흥. 재. 과였습니다!