최고 강도(强度)를 가진 다이아몬드와 합성 다이아몬드 이야기

가장 아름답고 비싼 보석이라고 하면 다이아몬드(diamond)를 생각한다. 빛의 굴절률이 제일 높아 영롱한 빛을 보여주는 다이아몬드는 생산량이 지극히 적은 광물(鑛物)이다. 이 물질의 최대 자랑은 보석으로서의 가치보다 금속이 아닌 비금속 물질이면서 모든 물질 중에서 가장 단단하다는 것이다. 오늘날에는 인공적으로 합성한 다이아몬드가 여러 산업에서 중요하게 이용된다.

다이아몬드는 변치 않는 물질이다. 반지에 박힌 것은 수백 년이 지나도 흑연이나 숯처럼 되지 않고 원래의 모습을 유지한다. 최근 캘리포니아에 있는 로렌스 리버모어 국립연구소의 물리학자 라지키(Amy Lazicki)와 그의 연구원들은 레이저를 이용하여 다이아몬드의 강도를 측정한 결과, 외압(外押)에 견디는 힘이 2천만 기압(2조 파스칼) 이상이라고 결론지었다. 2조 파스칼은 지구의 중심부가 받는 압력보다 5배 강한 힘이다.

다이아몬드는 탄소

탄소는 모든 생명체의 몸을 구성하는 기본 원소로서, 인체의 경우 약 18%가 탄소 성분이다. 탄소는 수소, 헬륨, 산소 다음으로 우주에 풍부한 ​물질이기도 하다. 숯, 석탄, 연필심(흑연黑鉛)은 모두 탄소가 주성분이고, 검은색이며 별로 단단하지 않다. 그런데 다이아몬드는 동일한 탄소이면서 무색투명한 데다가 세상에서 가장 단단한 물질이다.

그래서 다이아몬드를 정교하게 연마(練磨)하여 최고급 보석으로 만들고, 단단한 성질을 이용하여 유리를 자르는 칼날, 연마 도구에 붙여 금속을 자르거나 갈아내는 용도로 사용한다. 또한 이들은 매우 귀중한 광학기구의 렌즈를 만들 때도 이용된다.

1772년 이전에는 다이아몬드가 탄소인지 알지 못하고 있었다. ‘현대 화학의 아버지’로 불리는 프랑스의 라보아제(Antoine Lavoisier 1743-1794)는 볼록렌즈로 다이아몬드에 태양빛을 집중시키자 이산화탄소가 발생하는 것을 확인하면서, 투명하고 단단한 다이아몬드의 주성분이 탄소임을 처음으로 알게 되었다.

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다이아몬드는 빛을 굴절시키는 각도(굴절율屈折率)가 가장 큰 투명체이기에 연마하기에 따라 현란한 색상의 빛을 보여주게 된다. 다이아몬드는 ‘킴벌라이트’(kimberlite)라 부르는 광석에 포함되어 있다. 킴벌라이트는 1871년에 대형 다이아몬드 원광이 발견된 남아프리카의 지명(Kimberley)을 딴 것이다. 이때 이곳에서 무게 16.7g(83.5캐럿)의 다이아몬드가 발견되었다.

킴벌라이트를 절단하여 본 모습이다. 이 광물은 탄소와 점토(粘土) 성분으로 구성되어 있으면서 아름다운 청색. 보라, 담황색을 나타낸다.

같은 탄소이면서 다이아몬드만이 이처럼 단단해질 수 있게 된 이유를 과학자들은 확실히 알지 못한다. 지구 표면의 환경조건에서는 다이아몬드가 형성될 수 없다. 다이아몬드는 거대한 화산이 폭발한 곳이나, 큰 운석이 충돌한 곳에서만 발견된다.

그래서 과학자들은 10~33억 년 전에 흑연과 같은 물질이 900℃ 이상의 높은 열과 40,000기압을 넘는 압력이 작용하는 지하 140~190km 깊은 곳에서 생성되었다고 설명한다. 따라서 킴벌라이트는 원래 깊은 곳에 있다가, 수억 년 전 화산이 폭발할 때 용암과 함께 지상 가까이 올라온 것이라 생각하고 있다.

순수한 다이아몬드는 투명하지만, 대부분은 약간의 불순물을 포함하고 있어 조금씩 다른 색을 나타낸다.

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공업용 합성 다이아몬드

다이아몬드가 귀중한 물질이 되자, 과학자들은 이를 인공적으로 만드는 방법을 연구했다. 인조 다이아몬드는 1955년에 미국 제너럴 일렉트릭사의 과학자들이 흑연을 75,000기압의 초고압(수압을 이용)과 2,000℃ 이상의 온도로 처리하여 처음으로 만들었다.

BARS라 불리는 이 합성장비는 99,000기압, 2500℃라는 고압고온 조건에서 인공 다이아몬드를 만든다.

다이아몬드는 보석으로보다 공업용(주로 연마재)으로 더 많이 쓰인다. 공업용 다이아몬드는 인공적으로 만든 것을 대부분 사용하는데, 합성품은 크기가 1mm도 안 되는 가루 같은 것이다. 인공적으로 제법 크고 질이 좋은 합성 다이아몬드를 만들 수 있으나 제조비용이 많이 들기 때문에 경제적이지 못하다. 그러나 미세한 인조 다이아몬드는 대량 생산하여 여러 용도로 쓰고 있다.

합성 다이아몬드는 직경이 1mm보다 작으며, 포함된 불순물에 따라 색이 다르게 나타난다.

유정(油井)을 파거나 터널을 뚫는 드릴의 끝은 합성 다이아몬드가 매몰된 금속으로 만들고 있다. 미세 다이아몬드는 톱날 제조에도 이용한다. 기타 보석이나 다이아몬드를 가공할 때 쓰는 연마제 역시 다이아몬드이다.

폭발법으로 제조하는 다이아몬드

금속으로 만든 용기 속에 흑연 가루를 넣고 강력하게 폭발시키면, 내부의 고압 고온 때문에 나노 입자 크기(약 5nm)의 다이아몬드 가루가 만들어진다. 중국과 러시아가 이 방법으로 대량 생산하고 있다. 이 외에 초음파를 이용하여 가루 다이아몬드를 만드는 방법도 개발되어 있다.

이렇게 만든 다이아몬드 가루 역시 단단하고 열에 강하기 때문에 드릴의 끝, 전기톱의 날, 그라인더 날 등에 이용된다. 또한 마모에 잘 견디는 베어링, 시계의 부속도 제조한다.

바위, 대리석, 콘크리트 포장도로 등을 절단하는 대형 절단기의 톱날은 산업용 다이아몬드를 혼합하여 만든다.

모조 다이아몬드는 무엇으로 만드나?

때때로 모조 다이아몬드가 세상의 뉴스가 되기도 한다. 납이 포함된 유리는 굴절율이 높다. 플린트유리(flint glass)라 불리는 납유리로 모조 다이아몬드를 만들기도 한다. 원래 플린트유리는 굴절율이 좋은 볼록렌즈 제조에 쓰인다. 이 외에 지르코니아(ZrO2), 모이사나이트(moissanite, SiC), YAG(yttrium aluminium garnet, Y3Al5O12), 스트론튬 타이타네이트(strontium titanate, SrTiO3) 같은 합성물질로 유사한 다이아몬드를 만들 수 있다.

합성 다이아몬드는 열과 전기를 잘 통하는 성질이 있으므로 특수한 반도체 제조에도 쓰인다. 1980년대 초에는 다이아몬드를 기체화한 증기를 얇은 판의 상태로 만드는 CVD(chemical vapor deposition) 제조기술이 개발되었다. CVD는 열기계나 전자장치에서 긴요하게 쓰인다. 다이아몬드는 여성의 눈을 유혹하는 보석인 동시에 여러 산업에서도 같은 역할을 한다. – YS

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