최현민 (주)한미보석감정원 연구팀장

그토록 사랑스럽고 순수했던 순애가 수일을 배신하고, 신흥 재벌 김중배에게 시집을 가리라고 누군들 상상이나 했겠는가? 그런데 그런 일이 벌어졌다. 수일은 하늘이 무너지는 것 같은 충격을 받는다. 어떻게 이런 일이, 그것도 다른 사람이 아닌 순애가 그럴 수 있었단 말인가? 수일은 “김중배의 다이아몬드가 그리도 좋더냐!” 라고 절규한다. 하지만 이제 이수일도 순애에게 다이아몬드를 만들어 줄 수 있게 됐다. 그것도 김중배가 준 것보다 훨씬 큰 것으로 말이다.
최근 월스트리트 저널에서 고품질의 인공다이아몬드가 뛰어난 투명도와 색상을 무기로 ‘땅에서 파낸 천연 다이아몬드’의 입지를 흔들고 있다고 보도한 이후, 많은 사람들은 인공다이아몬드에 대해 관심을 갖기 시작했다. 천연 다이아몬드와 동일한 탄소원자로 이루어져 있으면서 보다 가격이 저렴하기 때문이다. 이 다이아몬드는 실험실에서 인간에 의해 만들어진 것으로서 엄밀히 말하자면 합성 다이아몬드이다. 합성 다이아몬드는 천연 다이아몬드와 같은 화학성분과 결정구조를 가지고 있으며 물리적, 광학적 특성도 거의 같다.
보석용으로 사용할 수 있는 합성 다이아몬드를 만드는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 고온고압(HPHT)으로 만드는 방법과 화학기상증착(CVD)을 통하여 만드는 방법이다.
HPHT 방법은 1953년 스위스의 전기회사에서 처음으로 다이아몬드 합성에 성공한 이후, 제너럴 일렉트릭(GE), 드비어스(De Beers), 수미토모(Sumitomo), 일진다이아몬드 등에서 다이아몬드를 합성할 수 있는 기술을 보유하게 되었다. 근래에 이르기까지 거의 대부분의 합성 다이아몬드가 공업용으로 사용되기는 했지만 보석용으로 사용할 정도의 고품질이 되지는 못했다. 최근에는 몇몇 회사의 다이아몬드 합성 기술의 발전으로 인해 다양한 색의 고품질 합성 다이아몬드가 주얼리 시장에서 판로를 찾고 있다.
CVD 방법으로 합성된 다이아몬드는 2003년 이전에는 대부분 마이크로미터 크기의 다결정 다이아몬드로 성장되었으나, 2003년 이후 미국의 아폴로 다이아몬드(Apollo Diamond), E6(Element Six), 카네기(Carnegie) 연구소 등에서 단결정 합성 다이아몬드 성장 기술을 보유하게 되었다. 특히, 아폴로 다이아몬드는 2007년부터 CVD 방법에 의해 제조된 단결정 합성 다이아몬드를 웹사이트를 통하여 판매해 오고 있다.

◆ HPHT 합성 다이아몬드의 기술 현황
다이아몬드는 석탄이나 연필심으로 쓰는 흑연과 마찬가지로 탄소로 이루어진 물질이다. 단지 결정구조가 다를 뿐이다. 석탄은 탄소 원자들이 마구 흐트러져 있는 상태이고, 흑연은 정육각형으로 연결된 탄소 원자들이 층층이 쌓여 있다. 반면 다이아몬드는 탄소 원자 4개가 모인 정사면체가 상하좌우로 끊임없이 조밀하게 반복된 구조다. 지구 깊숙한 곳에서 용암이 뿜어져 나올 때 상상할 수 없는 높은 온도와 압력이 탄소 원자들을 다이아몬드 상태로 뭉치게 한다. HPHT 합성 다이아몬드는 이런 자연과정을 모방한 것이다.
HPHT 합성 다이아몬드의 성장 조건은 1,350~1,600℃의 고온과 5~6Gpa의 압력이다. 높은 압력을 위하여 벨트(belt) 또는 바(BARS)라는 장치가 필요한데, 벨트는 압력을 조절하는 부분이 마치 허리에 차는 벨트와 같다고 하여 붙여진 이름이며, BARS는 팔면체 형상으로서 압력을 조절하는 장치이다. 압력 장치의 흑연 도가니 안에 탄소의 공급을 위한 다이아몬드 분말과 니켈, 코발트, 망간과 같은 금속 촉매제와 함께 다이아몬드 종자 결정을 넣는다.
이러한 조합은 금속 촉매제 윗부분의 온도를 아래의 종자 결정 부분보다 높게 유지하기 위함이다. 위아래의 온도 차이는 탄소 원자가 좀 더 차가운 부분인 종자 결정으로 이동하여 합성 다이아몬드로 성장하게 한다. 금속 촉매제를 넣는 이유는 보다 낮은 온도에서 다이아몬드 분말을 녹이기 위함인데, 만약 금속 촉매제를 넣지 않고 결정을 성장시키려면 그림 2의 도표에서 보라색 빗금 처리된 영역 정도의 인간이 범접하기 힘든 온도와 압력이 필요하다. 즉, 금속 촉매제의 사용으로 인간이 합성 다이아몬드를 만들 수 있는 조건을 갖게 된 것이다. 금속 촉매제는 그림 4와 같이 결정 성장 중에 완전히 용해되지 못한 채 결정화되어 합성 다이아몬드 내에 내포물로 존재하는 경우가 종종 있으며, 이러한 경우 금속성 내포물로 인해 그림 5와 같이 강한 자석에 붙기도 한다.
HPHT 합성 다이아몬드는 대부분 질소 원자가 탄소 원자 사이에 고립되어 존재하는 타입Ⅰb 이지만, 질소 원자가 다이아몬드 격자에 들어가는 것을 막거나, 의도적으로 붕소를 첨가하여 타입Ⅱa 또는 타입Ⅱb의 다이아몬드도 만들어 낼 수 있다. 질소 원자가 탄소 원자 사이에 고립되어 존재하는 타입Ⅰb 다이아몬드는 황색을, 탄소 원자로만 이루어진 타입Ⅱa 다이아몬드는 무색을, 붕소 원자가 탄소 원자 자리에 고립되어 존재하는 타입Ⅱb 다이아몬드는 청색을 나타낸다. 질소 원자와 붕소 원자의 양에 따라 나타나는 합성 다이아몬드의 칼라 및 채도는 무척 다양하다(그림 1).
최근 미국의 제메시스(Gemesis), 차탐(Chatham), 루슨트 다이아몬드(Lucent Diamond)사 등이 주얼리 시장을 겨냥한 HPHT 합성 다이아몬드를 생산하고 있다. 생산된 고품질의 황색 합성 다이아몬드에 방사선을 조사 또는 방사선 조사 및 열처리를 통해 핑크~적색 뿐 아니라 녹색까지도 만들어 내고 있으며, 최대 3.5 캐럿까지의 고품질 결정과 1.5 캐럿까지의 연마된 합성 다이아몬드가 상업적으로 생산되고 있다.
지금까지 알려진 HPHT 합성 다이아몬드 중 가장 큰 것은 1992년 드비어스에서 연구 목적으로 합성된 34.80 캐럿의 결정이다.

◆ CVD 합성 다이아몬드의 기술 현황
CVD 합성 다이아몬드는 2003년 이후로 눈부신 기술 성장을 보여 주었다. 반도체, 광학, 보석 산업 등에서 요구되는 고품질의 다이아몬드 결정성장 기술의 발전은 과거 HPHT 방법에 의해서만 만들어지던 단결정 다이아몬드를 CVD 방법을 통해서도 만들 수 있게 된 것이다. 1990년대에 일부 과학자들이 단결정의 CVD 다이아몬드를 합성하였다고 발표하였지만 상업적으로 연관시키지 못했다. 때문에 2003년도에 아폴로 다이아몬드에서 ‘보석용으로 사용될 수 있을 정도의 단결정 무색 합성 다이아몬드를 CVD 기술로 성장시켰으며, 몇 년 이내에 상용화가 가능하다’라는 발표는 전 세계 과학자들의 이목을 집중시키기에 충분했다.
CVD 합성 다이아몬드는 HPHT 합성 다이아몬드와는 달리 탄소를 함유하고 있는 메탄(CH4)가스와 수소(H2)가스 속에서, 훨씬 낮은 압력(기압의 1/10 이하)과 800∼1000℃ 온도에서 생성된다. 다이아몬드 챔버 내의 화학 반응기 속에 마이크로파를 흐르게 하여 고온 플라즈마가 생성되면, 수소와 메탄 가스분자들은 확산, 대류 등에 의해 분리된다.
이러한 화학 반응으로 인해 단결정 합성 다이아몬드의 엷은 막이 층을 이루며 다이아몬드 기판위에 증착하게 된다(그림 7). CVD 합성 다이아몬드 단결정은 그림 8과 같이 사이즈가 작고 납작한 사각형의 형태로 성장한다. 보석으로 사용되기 위해서는 단결정의 층이 두꺼워야 하는데, 0.5캐럿의 연마된 다이아몬드를 얻기 위해서는 3mm 이상 성장된 단결정이 요구된다. 올해 초 카네기 연구소에 의하면 시간당 50∼100㎛의 성장 속도로 1cm 두께의 10캐럿 단결정 합성에 성공하였다고 한다.

◆ 합성 다이아몬드의 시장 전망
현재 공업용 합성 다이아몬드 세계 시장은 약 6억 달러 규모다. 합성 다이아몬드로 만든 공구까지 합하면 60억 달러에 이른다. 합성 다이아몬드는 수술용 메스, 전자부품, 레이저 발생기 등 다양한 용도로 사용된다. 건물 철거 현장에서 철근 콘크리트 구조물을 잘라내는 데도 다이아몬드 절삭기가 쓰인다. 합성 다이아몬드의 기술이 발전될수록 그 응용 범위는 더 확대될 것이다.
천연 다이아몬드의 2008년 생산액은 127억 달러였다. 2009년의 생산은 다소 감소할 것으로 예상되는데, 대부분의 업체들이 세계 경제 불안 이후 다이아몬드의 수요가 감소하자 생산을 크게 줄였기 때문이다. 그러나 향후 몇 년은 다이아몬드 원석의 공급이 수요를 따라잡을 수 없을 것으로 예상된다. 천연 다이아몬드는 새로운 산지 발굴, 긴 생산 준비기간, 제한적인 광산 수명, 정치적 위험 등 전통적인 광산업의 문제점을 항상 내제하고 있기 때문이다. 따라서 향후 5∼10년은 HPHT와 CVD 방법에 의해 다양한 색의 제조가 가능한 합성 다이아몬드가 다이아몬드 산업의 새롭게 떠오르는 부문이 될 수 있을 것으로 전망한다.
이를 위해 정확한 감별, 거래시 명시, 감별서 표기와 같은 기본적인 명제가 이루어져야 할 것이다. 보석용으로 사용되는 합성 다이아몬드 시장의 형성은 천연 다이아몬드 시장 발전에도 긍정적인 영향을 줄 것이며, 이는 궁극적으로 소비자의 선택의 폭이 넓어지는 계기가 될 것이다.

그림 1. HPHT(고온고압) 방법으로 만들어진 다양한 색의 합성 다이아몬드
그림 2. 온도와 압력에 따른 다이아몬드의 형성
그림 3. HPHT 합성 장치 사진
그림 4. HPHT 합성 다이아몬드는 
금속 촉매제가 완전히 용해되지 못한 채 내포물로 존재하기도 한다.
그림 5. HPHT 합성 다이아몬드에 
금속성 내포물이 존재할 경우 강한 자석에 붙기도 한다.
그림 6. 고품질로 합성된 황색 합성 다이아몬드에 방사선을 조사하여 적색 다이아몬드를 만들어 낼 수 있다.
그림 7. CVD 합성 장치 모식도
그림 8. CVD 방법으로 만들어진 합성 다이아몬드
그림 9. 아폴로 다이아몬드에서 만들어진 CVD 합성 다이아몬드.
(좌) 0.16캐럿, (우) 0.17캐럿

최현민
동신대학교 대학원 보석공학 박사
AGK (국가공인보석감정사)
스위스 SSEF 보석과학과정 수료
일본 전국보석학협회 진주과정 수료
현재 한미보석감정원 부설 첨단보석분석연구소 연구팀장

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>