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인공 다이아몬드
인공 다이아몬드(Synthetic Diamond, artificial diamond, artificial diamond)는 흑연 따위를 원료로 하여 인공적으로 합성한 다이아몬드이다. 인조 다이아몬드, 합성다이아몬드, 랩 그로운 다이아몬드 등 동일한 스톤이 다양한 용어로 불리고 있으며 천연 다이아몬드아 생성기간이 다를 뿐 비중, 성분, 굴절률, 경도 등 모든 것이 동일하다.
고온·초고압의 셀 안에 온도 구배를 부여하여 저온부의 다이아몬드종 결정을 성장시키는 방법 등으로 얻는다. CH₄와 H₂의 혼합가스를 사용하여 10Pa, 900℃의 조건에서 박막을 합성하는 것도 가능하게 되었다. 보석, 연마제, 절삭공구용 소결체로 사용되는 외에, 열전도율이 큰 관계로 반도체 등의 온도 상승을 방지하기 위한 기판에도 사용되고 있다.
상세
빼어난 아름다움과 매력적인 물성을 가졌을 뿐만 아니라, 주변에 풍부한 탄소 원소 하나로 이뤄진 만큼, 다이아몬드를 직접 만들어내고자 하는 노력의 역사는 매우 오래됐으며, 다양한 방법이 개발되어 있다. 물론, 산소를 완전히 배제하는 환경이어야한다는 점에서 마냥 쉬운 공법만은 아니다. 과거에는 인공 다이아몬드를 만들기 위해 여러 방법이 시도되었는데, 그중에 쇳물 속에 탄소를 넣고 급속도로 식혀서 그 압력으로 탄소 덩어리를 압축시켜 다이아몬드를 만들고 산으로 철을 녹여 분류해 낸다는 방법을 1900년 초에 노벨화학상 수상자 앙리 무아상이 발표한 적이 있다. 그런데 그가 죽고 나서야 진실이 밝혀졌는데, 무아상의 제자가 되지도 않는 실험에 매달리는 것을 안타까워해 몰래 다이아몬드를 구해서 넣었고 그걸 몰랐던 당사자는 자신의 주장이 옳았다고 생각해 발표해 버린 것이었다.
오늘날에는, 시대가 발전함에 따라 인공 다이아몬드를 생산할 수 있는 단계까지 올라왔다. 고압고온방식이나 화학기상증착방식이 사용되며, 기본이 되는 다이아몬드 웨이퍼, 즉 다이아몬드 씨앗(Seed)이 필요하다. 공장에서 처음부터 끝까지 만들어내는 것이 아니라, 다이아몬드를 자라게 하는 방식. 그래서 '실험실에서 키운'(lab grown)이란 단어가 자주 사용된다. 대다수는 공업용으로 사용하기 위해 제작되고 있지만, 기술 발전으로 가장 무색에 가까운 D컬러에 투명도는 FL급인 말 그대로 최상급 보석용 다이아몬드도 만들 수 있게 되었다.현재 기술상 최대 6캐럿 정도까지 만들어내는 수준. 사실상 맨눈이나 확대경만으로는 자연산 다이아몬드와 구분이 불가능하며, 특수 검사 기계로만 확인이 가능한 수준이다. 현재 1/10의 가격으로 판매되고 있는데, 수요에 따라 공급이 늘어나거나 새로운 기술개발이 이루어지면서 가격이 꾸준히 떨어질 것이라 전망되고 있다. 가격경쟁력뿐만 아니라 자연산 다이아몬드가 가진 윤리적 문제도 피할 수 있기 때문에 사실상 현 자연산 다이아몬드 시장을 뿌리채 흔들 수 있는 기술이다.
나노 크기의 다이아몬드 입자는 흑연을 화약으로 폭발시켜 2000°C 30만기압에 도달시켜서 만든다고 한다. 냉전기 소련에서 핵실험을 하다 우연히 탄소가 다이아몬드가 되어 있다는 걸 발견했다고 한다. 2012년 이그노벨상 평화상(...)도 이를 소재로 했다.
탄소 단일 원소 광물이므로, 사람을 재료로 만들 수 있는 보석이다. 물론 인체연성 같은 판타지를 통해 만드는 건 아니고, 인간의 육체의 구성성분 중 탄소가 많은 것을 이용한 것. 굳이 사람이 아닌 탄소를 포함한 생명체라면 모두 가능하다. 실제로 스위스의 정밀산업회사 알고르단자(Algordanza)에서 고인의 화장한 유골의 재로 만든 인조 다이아몬드 '메모리얼 다이아몬드(Memorial Diamond)'를 제작하는데 시신의 모든 부위를 쓰는 건 아니고 화장 후 의뢰인이 맡긴 유골분의 25% 정도 되는 500g만이 제작에 사용된다. 현 기술은 이제 투명한 다이아몬드 제조에 성공하는 단계까지 올라왔지만 아직은 푸른색을 띠거나 혹은 불순물이 덜 제거되어 노란색을 띠는 경우가 있다고 한다. 생각보다 제작하는데 큰 비용은 들지 않는다고 하며(단, 세공 추가시 가격이 두 배로 뛴다.) 대략 0.5캐럿당 4~5천 달러 정도라고 한다.2019년 6월 기준으로 0.5캐럿 원석은 664만원이지만, 세공을 하면 1344만 원이다. 그 외 목걸이나 반지로 만들게되면 추가금이 더 든다. 만들어지는 기간은 5개월이지만 기간에 따라 최대 1.5캐럿까지 만들 수 있다고 한다. 위의 다이아가 가지고 있는 의미와 함께 새로운 장례 및 추모 방식으로도 고려되고 있다고 한다. 사실 꽤나 합리적인 장례문화로도 볼 수 있는데, 이 방법이 크게 보편화된다면 납골당 및 묘지의 토지 포화 문제를 해결할 수 있기 때문. 납골당 등에서 고인의 유골분을 보관하는데 드는 비용을 생각하면 그리 비싼 금액도 아니다.
사실 인공 다이아몬드는 그 자체로서의 가치보다도 산업 원자재로서의 가능성으로서의 가치가 더 높다. 다이아몬드는 열 전도율이 매우 뛰어나 구리보다 약 5배나 되고 (다이아몬드 열 전도도 K=2000, 구리는 K=402) 전기저항과 내열성이 높아 인공 다이아몬드가 신소재로 많이 개발되고 있다. 실리콘을 대체하게 되면 훨씬 효율이 높고 빠른 반도체나 전자 제품 등을 만들 수 있고 그 외에도 외계 생명체 탐지, 초고감도 감지기, 인공 관절이나 통신 및 각종 부문에서 큰 발전을 이룰 수 있다. 하지만 원하는 모양과 크기대로 만들기가 어려워서 산업용 다이아몬드는 대부분 크기가 매우 작다. 만일 원하는 모양과 크기대로 산업용 다이아몬드를 만드는 기술이 생긴다면 실제 다이아몬드 광산 한두 개는 우습게 보일 정도의 고가치 기술이 될 거라고 보는 사람도 있다. 요즘은 카보나도라고 불리는 석탄과 비슷하게 생긴 검은 다이아몬드의 구조를 통해 기존의 고압, 고열 생성 방식에서 낮은 압력으로 진공 상태의 우주에서처럼 만든 후 결정체를 고온, 고압에 노출시켜 다이아몬드를 더 단단하게 만든다. 그 결과물은 천연 다이아몬드보다 훨씬 단단하다고 한다.
카보나도는 일반적인 다이아몬드의 구조와 달리 다결정 구조 덕분에 크기도 더 크고 경도도 더 강하다고 한다. 일반적인 자연에서 볼 수 없으며 남미와 중앙 아프리카에서 발견되었다. 카보나도의 정확한 생성 기작은 아직 모른다. 한 학설에 의하면 카보나도는 초신성 폭발로부터 생성된 것으로, 우주에서 기원한 것이라고 한다. 지구의 다이아몬드는 맨틀 내부에서 고압, 고온에 의해 내부 구조가 꽉 찬 구조이지만 카보나도는 우주의 진공 상태에서 뜨거운 다이아몬드가 서로 강하게 충돌하고 서로 엉겨붙어 커다란 다이아몬드를 형성하고 광물 가루가 묻어 검은색을 띈다는 것이다. 압력이 없었기 때문에 다결정 구조가 될 수 있었고 그로 인해 더욱 단단해지게 되었다. 그 후엔 운석에 실려 지구에 충돌하였다고 한다.
2024년, 한국의 UNIST 연구진이 1기압 조건하에서 다이아몬드를 합성하는 새로운 공법을 개발하는데 성공했다. 촉매와 규소 분말, 메탄을 넣고 상압 고온의 챔버에서 반응시키면 다이아몬드와 구조가 같은 규소 분말의 규소가 탄소로 치환되는 방식으로, 0.5cm 정도 크기의 다이아몬드를 합성하는데 드는 재료값+전기료를 합쳐도 몇 천원 수준에 지나지 않을 정도로 낮춰 비용 절감까지 성공했다.
사용
다이아몬드 배터리
최근에 University of Bristol에서 탄소-14를 사용해 만든 인공 다이아몬드로 만든 원자력 전지를 연구하고있다. 기존의 우주 탐사선에 사용된 RTG와는 다르게 열이아닌 오로지 베타 붕괴를 이용해 전기를 생산해 낸다고 한다. 탄소-14는 원자력 발전소에서 핵 폐기물의 형태로 다수 생성되는데 그것들을 모아서 다이아몬드로 만든후 그 주위를 일반 탄소로 만든 다이아몬드로 감싸면 바나나보다도 적은 방사선을 방출하면서 전기를 지속적으로 아주 오랜기간동안 배출하는 배터리를 만들수 있다고 한다. 탄소-14의 반감기가 5730년이니 인간입장에서는 사실상 반영구적 배터리인셈이다. 다만 무게 대비 전력 생산량이 너무 적어서 큰 전력을 요구하는 전자기기(휴대폰, 전기차 등)에는 사용할수없고 적은 전력으로 오랜시간 작동해야하는 페이스메이커 같은 기기에 사용할 목적으로 개발하는중이다.
귀보석
산업용 뿐아니라 자연산 다이아몬드의 대체석으로써도 각광받고 있다.
자연산 다이아몬드는 기업의 독점 등 어른의 사정으로 인해 크기에 따라 따따블로 높아지는 금액이 소비자에게도 큰 부담이었는데, 랩 다이아몬드는 이런 독점적인 유통구조의 영향을 덜 받아 저렴하면서도 기존의 자연산 다이아몬드 채굴 과정이 겪는 고질적인 문제인 열악한 채굴 노동 실태, 환경 파괴 등에서 자유로울 수 있다는 것이 매우 큰 장점이다. 다만 다이아몬드 합성 과정에서 막대한 양의 전기가 사용되기 때문에 미국 연방거래위원회에서는 합성 다이아몬드를 친환경이라고 포장한 8개 업체에 경고를 하기도 했다.
자연산보다도 균일하고 높은 품질의 다이아를 만들 수 있고, 희소한 컬러까지 기호에 맞게 지정도 가능하다. 그러면서도 가격은 동 크기의 자연산 다이아보다 더 저렴하기 때문에 귀보석 시장에서 상당히 빠른 추세로 안정적인 위치를 확보하고 있고 실제로 랩 다이아몬드라고 검색하면 꽤 많은 업체들이 있다.
다이아몬드 뿐 아니라 합성이 가능한 다양한 보석들의 경우 대체로 합성 사파이어, 합성 에메랄드 등으로 불리웠는데 합성이란 단어에서 오는 부정적인 이미지 때문인지, 2020년 이후로 합성 다이아몬드라는 이름 대신, 랩 그로운 다이아몬드라는 마케팅 용어가 자리잡았다. 윗 문단의 다이아몬드 씨앗이 필요하다는 부분에서 포인트를 상당히 잘 잡은 마케팅 용어 사례가 될듯. 굳이 따지자면 틀린 말은 아니겠으나 랩그로운 용어를 쓰기 이전의 합성 다이아몬드, 인공 다이아몬드와 동일한 물건이다. 애초에 합성 다이아몬드가 2010년대에 처음 개발된게 아니다. 합성에서 오는 부정적인 인상을 떼어버리고 흥행에 어느 정도 성공했기 때문인지 이제 아예 합성 사파이어, 합성 루비, 합성 에메랄드 등조차도 랩그로운으로 불리운다(..).
다만 단점이라면 환금성 면에서 자연산 다이아몬드보다 되팔 때 가격이 매우 현저히 떨어진다는 것으로, 재산 보유 및 추후 되팔 목적으로 구매한다면 차라리 금반지를 사는 것을 추천한다. 쉽게 구매하기 어려운 크고 깨끗한 상등품질의 다이아몬드를 저렴하게, 가볍게 즐겨보고 싶거나 예물 구입 시 예산이 조금 부족한 신혼부부인데 상징적인 면에서[54] 인공 다이아몬드여도 거부감이 없는 경우라면 구매를 해도 좋을 것이다. 최근 트렌드로 꼽히는 테니스 팔찌처럼 다이아몬드의 알이 많이 들어가는 주얼리에 합성 다이아몬드를 사용하면 제격이다.
공구
공구 중 보통 절삭용 칼날, 채석장 톱으로 쓰인다. 다이아몬드를 급과 용도에 맞게 분류해서 금속 분말과 섞고 구워서 만든다.
동영상
참고자료
- 〈다이아몬드〉, 《나무위키》
- 〈인공 다이아몬드〉, 《화학용어사전》
- 〈랩 그로운 다이아몬드〉, 《두산백과》
- 〈인공합성 다이아몬드〉, 《두산백과
- 김진호 기자, 〈‘보석 왕좌’ 노리는 인공 다이아몬드〉, 《동아일보》, 2018-10-22
- 김형자 과학칼럼니스트 , 〈진짜 넘보는 가짜 인공 다이아몬드의 반란〉, 《주간조선》, 2018-11-02
- 유지연 기자 , 〈MZ세대 눈길 끌었다…완판 행진하는 ‘인공 다이아’〉, 《중앙일보》, 2022-12-22
- 박예린 기자, 〈"육안으로 구분 안 돼"…'가성비' 인공 다이아 인기〉, 《SBS 뉴스》, 2023-09-06
- 기초과학연구원(IBS), 〈땅 속 고압 아닌 1기압에서 세계 최초 다이아몬드 합성 성공〉, 《동아사이언스》, 2024-04-25
같이 보기
