합성 다이아몬드

Synthetic diamond
Six non-faceted diamond crystals of 2–3 mm (0.079–0.118 in) size; they are yellow, green-yellow, green-blue, light-blue, light-blue and dark blue.
고압 및 온도 기술로 성장한 다양한 색상의 실험실 다이아몬드

실험실에서 생산된 다이아몬드(Lab-grown diamond, LGD)[1] 또는 실험실에서 생산된 다이아몬드(Lab-grown diamond, 실험실에서 생산된 다이아몬드, 인공적인 다이아몬드, 인공적인 다이아몬드, 또는 배양된 다이아몬드)는 통제된 기술적 과정(지질학적 과정을 통해 생산되고 채굴에 의해 얻어지는 자연적으로 형성된 다이아몬드와 달리)에서 생산되는 다이아몬드입니다.다이아몬드 시뮬레이션(표면적으로 유사한 비 다이아몬드 재료로 만들어진 다이아몬드의 모방품)과 달리 합성 다이아몬드는 자연적으로 형성된 다이아몬드와 동일한 재료로 구성되어 있으며 등방성 3D 형태로 결정화된 순수한 탄소입니다.

다이아몬드 합성에 대한 수많은 주장들이 1879년에서 1928년 사이에 보고되었습니다; 이러한 시도들의 대부분은 신중하게 분석되었지만 아무 것도 확인되지 않았습니다.1940년대에 미국, 스웨덴, 소련에서 다이아몬드 생성에 대한 체계적인 연구가 시작되었고, 1953년에 최초의 재현 가능한 합성으로 절정에 이르렀습니다.추가적인 연구 활동으로 고압 고온 다이아몬드(HPHT)와 CVD 다이아몬드의 발견이 이루어졌는데, 이는 제조 방법(각각 고압 고온 및 화학 기상 증착)에서 이름을 따온 것입니다.이 두 공정은 여전히 합성 다이아몬드 생산을 지배하고 있습니다.나노미터 크기의 다이아몬드 알갱이가 탄소 함유 폭발물의 폭발에서 생성되는 세 번째 방법인 폭발 합성은 1990년대 후반에 시장에 진출했습니다.흑연을 고출력 초음파로 처리하는 네 번째 방법이 실험실에서 입증되었지만 현재 상업적인 적용은 없습니다.

인공 다이아몬드의 특성은 제조 공정에 따라 달라집니다.몇몇 합성 다이아몬드는 가장 자연적으로 형성된 다이아몬드보다 더 우수한 경도, 열전도율, 전자이동성과 같은 특성을 가지고 있습니다.합성 다이아몬드는 연마재, 절삭 및 연마 도구 및 방열판에 널리 사용됩니다.발전소의 고출력 스위치, 고주파 전계효과 트랜지스터 및 발광 다이오드를 포함한 합성 다이아몬드의 전자적 응용이 개발되고 있습니다.자외선(UV) 빛 또는 고에너지 입자의 합성 다이아몬드 검출기는 고에너지 연구 시설에서 사용되며 상업적으로 이용 가능합니다.합성 다이아몬드는 열과 화학적 안정성의 독특한 조합, 낮은 열팽창 및 넓은 스펙트럼 범위에서의 높은 광학적 투명성으로 인해 고출력 CO
2 레이저 및 자이로트론에서 광학 윈도우의 가장 인기 있는 재료가 되고 있습니다.산업용 다이아몬드 수요의 98%가 합성 다이아몬드로 공급되는 것으로 추정됩니다.[2]

CVD와 HPHT 다이아몬드를 모두 보석으로 자를 수 있으며 선명한 흰색, 노란색, 갈색, 파란색, 녹색 및 주황색 등 다양한 색상을 생성할 수 있습니다.합성 다이아몬드와 천연 다이아몬드를 구별하기 위한 특수 분광 장치와 기술이 개발된 결과, 시장에 합성 보석의 출현은 다이아몬드 거래 산업에 큰 관심을 불러 일으켰습니다.

역사

전기로를 이용해 합성 다이아몬드를 만들려고 하는 모이산

다이아몬드 합성의 초기 단계에서 현대 화학의 창시자인 앙투안 라부아지에는 중요한 역할을 했습니다.다이아몬드의 결정 격자가 탄소의 결정 구조와 비슷하다는 그의 획기적인 발견은 다이아몬드를 생산하려는 초기의 시도들을 가능하게 했습니다.[3]1797년 다이아몬드가 순수한 탄소라는 것이 밝혀진 후,[4][5] 다양한 값싼 형태의 탄소를 다이아몬드로 바꾸려는 많은 시도들이 이루어졌습니다.[6][a]초기의 성공은 1879년[11] 제임스 발란타인 해네이에 의해 보고되었고 1893년 페르디난트 프레데릭 앙리 모이산에 의해 보고되었습니다.그들의 방법은 용광로의 탄소 도가니 안에서 철로 숯을 3,500 °C (6,330 °F)까지 가열하는 것이었습니다.Hannay가 화염 가열 튜브를 사용한 반면, Moissan은 새로 개발된 전기 아크로를 적용했습니다. 전기 아크는 석회 덩어리 안에 있는 탄소 막대 사이에 부딪혔습니다.[12]녹은 철은 물에 담가 급속 냉각되었습니다.냉각에 의해 발생한 수축은 흑연을 다이아몬드로 변환시키는 데 필요한 높은 압력을 발생시킨 것으로 추정됩니다.모이산은 1890년대에 그의 작품을 일련의 기사에 실었습니다.[6][13]

다른 많은 과학자들은 그의 실험을 복제하려고 노력했습니다.윌리엄 크룩스 경은 1909년에 성공을 거뒀습니다.[14]오토 러프는 1917년 지름이 7mm(0.28인치)에 이르는 다이아몬드를 만들었다고 주장했지만 나중에 그의 진술을 철회했습니다.[15][16]1926년, 맥퍼슨 대학의 J. 윌러드 허쉬 박사는 합성 다이아몬드를 생산하면서 [17][18]모이산과 러프의 실험을 복제했습니다.[19]모이산, 러프, 허쉬의 주장에도 불구하고, 다른 실험자들은 그들의 합성을 재현할 수 없었습니다.[20][21]

가장 확실한 복제 시도는 찰스 앨거논 파슨스 경에 의해 수행되었습니다.증기 터빈을 발명한 것으로 유명한 저명한 과학자이자 공학자인 그는 약 40년을 (1882년-1922년) 보냈고 그의 재산의 상당 부분을 모이산과 해네이의 실험을 재현하기 위해 노력했지만 또한 그만의 과정을 적용했습니다.[22]파슨스는 그의 공들여 정확한 접근법과 체계적인 기록 보관으로 유명했습니다; 그의 모든 표본은 독립적인 당사자에 의해 추가 분석을 위해 보존되었습니다.[23]그는 HPHT 다이아몬드에 관한 초기 기사를 많이 썼는데, 이 기사에서 그는 작은 다이아몬드를 만들었다고 주장했습니다.[24]그러나 1928년에 그는 C. H. Desch 박사에게 그 당시까지 합성 다이아몬드( 모이산과 다른 것들의 다이아몬드를 포함하여)가 생산되지 않았다는 그의 신념을 밝힌 기사를[25] 출판하도록 허가했습니다.그는 그 때까지 생산된 대부분의 다이아몬드가 합성 스피넬일 가능성이 높다고 제안했습니다.[20]

ASEA

최초의 합성 다이아몬드(ASEA 1953)

최초로 알려진 다이아몬드 합성은 1953년 2월 16일 스톡홀름에서 스웨덴의 주요 전기 장비 제조 회사인 ASEA(Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget)에 의해 이루어졌습니다.1942년부터 ASEA는 5명의 과학자와 엔지니어로 구성된 팀을 비밀 다이아몬드 제작 프로젝트의 일환으로 고용했습니다. 코드명은 퀸투스(QINTUS.연구팀은 Baltzar von Platen과 Anders Kaempe가 설계한 부피가 큰 분할구 장치를 사용했습니다.[26][27]압력은 장치 내에서 약 8.4 GPa(1,220,000psi), 온도는 2,400 °C(4,350 °F)로 한 시간 동안 유지되었습니다.몇 개의 작은 다이아몬드들이 만들어졌지만, 보석의 질이나 크기는 아니었습니다.

특허 절차에 대한 의문과 전 세계적으로 다른 심각한 다이아몬드 합성 연구가 일어나지 않았다는 합리적인 믿음 때문에, ASEA 이사회는 공개와 특허 출원을 거부했습니다.따라서 ASEA 결과 발표는 1955년 2월 15일 GE 기자회견 직후에 이루어졌습니다.[28]

GE다이아몬드

A 3-meter tall press
1980년대 코벨코사에서 생산한 벨트프레스

1941년, 제너럴 일렉트릭(GE), 노튼(Norton), 카보룬덤(Carborundum) 회사들 사이에 다이아몬드 합성을 더 발전시키기 위한 합의가 이루어졌습니다.그들은 탄소를 3.5 기가파스칼 (510,000 psi)의 압력 하에서 몇 초 동안 약 3,000 °C (5,430 °F)까지 가열할 수 있었습니다.그 후 곧, 2차 세계대전이 그 프로젝트를 중단시켰습니다.1951년 GE의 셰넥타디 연구소에서 재개되었고, 프랜시스 P와 함께 고압 다이아몬드 그룹이 형성되었습니다.번디와 H.M. 스트롱.트레이시 홀과 다른 사람들은 나중에 이 프로젝트에 참여했습니다.[26]

쉐넥타디 그룹은 1946년에 그의 업적으로 노벨 물리학상을 받은 퍼시 브리지먼이 디자인한 앤빌을 개선했습니다.번디와 스트롱은 처음에 개선을 했고, 그 다음에 홀이 더 개선을 했습니다.GE 팀은 캐틀린나이트 용기에 담긴 탄소질 시료를 압축하기 위해 유압 프레스 내에 탄화텅스텐 앤빌을 사용했습니다. 완성된 그릿은 용기에서 가스킷으로 압착됩니다.연구팀은 한 차례 다이아몬드 합성을 기록했지만 합성 조건이 불확실해 실험을 재현하지 못했고,[29] 이후 이 다이아몬드가 씨앗으로 사용된 천연 다이아몬드였던 것으로 밝혀졌습니다.[30]

홀은 1954년 12월 16일에 최초로 상업적으로 성공적인 다이아몬드 합성을 이루었고, 1955년 2월 15일에 발표되었습니다.그의 돌파구는 벨트 프레스를 사용하여 10 GPa 이상의 압력과 2,000 °C 이상의 온도를 생산할 수 있었습니다.[31]언론은 흑연이 녹은 니켈, 코발트, 철 안에 용해된 파이로필라이트 용기를 사용했습니다.그 금속들은 탄소를 용해시키고 다이아몬드로 전환을 가속화하는 "용매 촉매"의 역할을 했습니다.그가 생산한 가장 큰 다이아몬드는 지름이 0.15mm(0.0059인치)였습니다. 보석으로 쓰기에는 너무 작고 시각적으로 완벽하지 않았지만 산업용 연마재에 사용할 수 있었습니다.홀의 동료들은 그의 연구를 복제할 수 있었고, 그 발견은 주요 저널 네이처에 실렸습니다.[32][33]그는 재현 가능하고, 검증 가능하며, 잘 문서화된 과정을 가진 합성 다이아몬드를 재배한 최초의 사람이었습니다.그는 1955년 GE를 떠났고, 3년 후 GE 특허 출원에 대한 미국 상무부의 비밀 유지 명령을 위반하지 않기 위해 다이아몬드의 합성을 위한 새로운 장치(4개의 앤빌이 있는 사면체 프레스)를 개발했습니다.[30][34]

추가발전

A diamond scalpel consisting of a yellow diamond blade attached to a pen-shaped holder
단결정 합성 다이아몬드 날을 가진 메스

합성 보석 품질의 다이아몬드 결정은 1970년 GE에 의해 처음 생산되었고, 1971년에 보고되었습니다.최초의 성공은 다이아몬드의 얇은 조각들로 각각의 끝에 파종된 피로필라이트 튜브를 사용했습니다.흑연 공급 재료를 중심부에 배치하고 흑연과 종자 사이에 금속 용매(니켈)를 배치하였습니다.용기를 가열하고 압력을 약 5.5 GPa (800,000 psi)까지 올렸습니다.그 결정들은 관의 중심에서 끝으로 흐를 때 성장하고, 그 과정의 길이를 늘리면 더 큰 결정들이 만들어집니다.처음에는 일주일 동안의 성장 과정에서 약 5mm (0.20인치) (1캐럿 또는 0.2g)의 보석 품질의 돌이 만들어졌고, 공정 조건은 가능한 한 안정적이어야 했습니다.흑연 공급은 곧 다이아몬드 그릿으로 대체되었는데, 이는 최종 결정의 형태를 훨씬 더 잘 제어할 수 있게 해주었기 때문입니다.[33][35]

최초의 보석 품질의 돌들은 질소 오염 때문에 항상 노란색에서 갈색으로 변했습니다.특히 니켈에서 나온 "접시 같은" 인클루전이 일반적이었습니다.알루미늄이나 티타늄을 첨가하여 공정에서 모든 질소를 제거하면 무색의 백색의 돌이 생성되고, 질소를 제거하고 붕소를 첨가하면 청색의 돌이 생성됩니다.[36]또한 질소를 제거하면 성장 과정이 느려지고 결정질 품질이 저하되므로 보통 질소가 있는 상태에서 공정을 진행했습니다.

비록 GE 돌들과 천연 다이아몬드들은 화학적으로 동일했지만, 그들의 물리적인 특성들은 같지 않았습니다.무색의 돌은 단파장 자외선에서는 강한 형광과 인광을 나타내지만 장파장 자외선에서는 비활성이었습니다.천연 다이아몬드 중에서 더 희귀한 푸른 보석만이 이러한 특성을 보여줍니다.천연 다이아몬드와 달리, 모든 GE석들은 X선 아래에서 강한 노란색 형광을 보였습니다.[37]De Beers Diamond Research Laboratory는 연구 목적으로 최대 25캐럿(5.0g)의 돌을 길렀습니다.이 크기의 고품질 다이아몬드를 재배하기 위해 6주 동안 안정적인 HPHT 조건을 유지했습니다.경제적인 이유로, 대부분의 합성 다이아몬드는 1캐럿(200 mg)에서 1.5캐럿(300 mg)의 질량에 도달하면 성장이 종료됩니다.[38]

1950년대 소련과 미국에서는 800℃(1,470℃)의 비교적 낮은 온도에서 탄화수소 가스를 열분해하여 다이아몬드를 성장시키는 연구가 시작되었습니다.이러한 저압 공정은 화학 기상 증착(CVD)이라고 알려져 있습니다.윌리엄 G.전하는 바에 따르면 에버솔은 1953년 다이아몬드 기판 위에 다이아몬드의 증착을 달성했지만 1962년까지 보고되지 않았습니다.[39][40]다이아몬드 필름 증착은 1968년[41] 앵거스와 동료들에 의해, 1970년 데랴긴과 페도세프에 의해 독립적으로 재현되었습니다.[42][43]에버솔과 앵거스가 크고 값비싼 단결정 다이아몬드를 기판으로 사용한 반면, 데랴긴과 페도세프는 다이아몬드가 아닌 물질(실리콘과 금속)에 다이아몬드 필름을 만드는 데 성공했고, 이는 1980년대에 저렴한 다이아몬드 코팅에 대한 대규모 연구로 이어졌습니다.[44]

2013년부터, 미공개 합성 근거리 다이아몬드(일반적으로 중앙 다이아몬드의 틀을 만들거나 밴드를 장식하는 데 사용되는 작고 둥근 다이아몬드)[45][46]의 증가에 대한 보고가 나왔습니다.다이아몬드 근거리의 비용이 상대적으로 저렴한 것은 물론 대량의 근거리를 효율적으로 식별하기 위한 보편적인 지식이 상대적으로 부족하기 때문에 모든 딜러가 다이아몬드 근거리를 테스트하여 자연적인 것인지 인공적인 것인지 정확하게 식별하려고 노력한 것은 아닙니다.[47]그러나, 합성 근거리 식별에 있어서 상당한 개선이 이루어지면서, 국제적인 연구소들이 이 문제를 정면으로 다루기 시작하고 있습니다.[48]

제조기술

합성 다이아몬드를 만들기 위해 사용되는 몇 가지 방법이 있습니다.원래의 방법은 고압 및 고온(HPHT)을 사용하며, 상대적으로 비용이 저렴하기 때문에 여전히 널리 사용되고 있습니다.이 공정에는 1,500°C(2,730°F)에서 5GPa(730,000psi)의 압력을 생성하기 위해 수백 톤의 무게가 나가는 대형 프레스가 포함됩니다.두 번째 방법은 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 기판 위에 탄소 원자가 증착되어 다이아몬드를 형성하는 탄소 플라즈마를 형성합니다.다른 방법으로는 폭발성 형성(폭발 나노 다이아몬드 형성) 및 흑연 용액의 초음파화가 있습니다.[49][50][51]

고압, 고온

A schematic drawing of a vertical cross section through a press setup. The drawing illustrates how the central unit, held by dies on its sides, is vertically compressed by two anvils.
벨트 프레스 도식

HPHT 방법에서는 합성 다이아몬드를 생산하는 데 필요한 압력과 온도를 공급하는 데 사용되는 주요 프레스 디자인으로 벨트 프레스, 큐빅 프레스 및 분할구(BARS) 프레스의 세 가지가 있습니다.다이아몬드 씨앗들은 프레스의 바닥에 놓여있습니다.프레스의 내부 부분은 1,400°C(2,550°F) 이상으로 가열되어 용매 금속을 녹입니다.용융된 금속은 고순도 탄소원을 용해시키고, 이 탄소원은 작은 다이아몬드 씨앗으로 운반되어 침전되어 큰 합성 다이아몬드를 형성합니다.[52]

Tracy Hall의 원래 GE 발명은 상부 앤빌과 하부 앤빌이 원통형 내부 셀에 압력 하중을 공급하는 벨트 프레스를 사용합니다.이 내부 압력은 사전 응력을 받은 강철 밴드의 벨트에 의해 방사상으로 제한됩니다.앤빌은 압축된 셀에 전류를 제공하는 전극 역할도 합니다.벨트 프레스의 변형은 강철 벨트가 아닌 유압을 사용하여 내부 압력을 제한합니다.[52]벨트 프레스는 오늘날에도 여전히 사용되지만, 원래 디자인보다 훨씬 더 큰 규모로 지어졌습니다.[53]

프레스 디자인의 두번째 유형은 큐빅 프레스입니다.입방체 프레스에는 정육면체 모양의 부피의 모든 면에 동시에 압력을 제공하는 6개의 앤빌이 있습니다.[54]최초의 다중 앤빌 프레스 디자인은 사면체 프레스였으며, 4개의 앤빌을 사용하여 사면체 모양의 부피에 수렴했습니다.[55]그 직후 압력을 가할 수 있는 부피를 증가시키기 위해 큐빅 프레스가 만들어졌습니다.큐빅 프레스는 일반적으로 벨트 프레스보다 작고 합성 다이아몬드를 만드는 데 필요한 압력과 온도를 더 빠르게 얻을 수 있습니다.그러나 큐빅 프레스는 쉽게 더 큰 부피로 확장할 수 없습니다. 더 큰 앤빌을 사용하여 가압 부피를 증가시킬 수 있지만 동일한 압력을 얻기 위해 앤빌에 필요한 힘의 양도 증가합니다.대안은 십이면체와 같은 고차 플라톤 고체에 더 많은 앙빌을 사용하여 가압 부피의 표면적 대 부피비를 줄이는 것입니다.그러나 그러한 프레스는 복잡하고 제작하기 어려울 것입니다.[54]

A schematic drawing of a vertical cross-section through a BARS press: the synthesis capsule is surrounded by four tungsten carbide inner anvils. Those inner anvils are compressed by four outer steel anvils. The outer anvils are held a disk barrel and are immersed in oil. A rubber diaphragm is placed between the disk barrel and the outer anvils to prevent oil from leaking.
BARS 시스템 도식

BARS 장치는 다이아몬드를 생산하는 모든 프레스 중에서 가장 작고, 효율적이며, 경제적이라고 합니다.BARS 장치의 중앙에는 약 2cm3(0.12쿠인) 크기의 세라믹 원통형 "합성 캡슐"이 있습니다.셀은 압력을 전달하는 재료, 예를 들어 파이로필라이트 세라믹(pyrophyllite ceramic)의 정육면체에 배치되며, 이는 초경합금(예를 들어, 탄화 텅스텐 또는 VK10 경질 합금)으로 제조된 내부 앤빌에 의해 가압됩니다.[56]외측 팔면체 캐비티는 8개의 강철 외측 앤빌에 의해 가압됩니다.장착 후에는 전체 어셈블리를 직경 약 1m(3ft 3in)의 디스크형 배럴에 잠급니다.배럴은 가열 시 압력을 가하는 오일로 채워지고 오일 압력은 중앙 셀로 전달됩니다.합성 캡슐은 동축 흑연 히터에 의해 가열되고 온도는 열전대로 측정됩니다.[57]

화학기상증착법

자세한 정보:화학기상증착법
자립형 단결정 CVD 다이아몬드 디스크

화학기상증착법은 탄화수소 가스 혼합물로부터 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 방법입니다.이 방법은 1980년대 초부터 전 세계적으로 집중적인 연구의 대상이 되었습니다.고품질 다이아몬드 결정의 대량 생산은 HPHT 프로세스를 산업 응용 분야에 더 적합한 선택으로 만들지만, CVD 설정의 유연성과 단순성은 실험실 연구에서 CVD 증가의 인기를 설명합니다.CVD 다이아몬드 성장의 장점은 넓은 영역과 다양한 기판에 걸쳐 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 능력과 생성된 다이아몬드의 화학적 불순물 및 특성에 대한 미세한 제어를 포함합니다.HPHT와 달리 CVD 프로세스는 일반적으로 27kPa(3.9psi) 미만의 압력에서 성장이 일어나기 때문에 고압이 필요하지 않습니다.[49][58]

CVD 성장에는 기판 준비, 다양한 양의 가스를 챔버에 공급하고 이를 통전하는 작업이 포함됩니다.기판 준비는 적절한 재료와 그 결정학적 방향을 선택하는 것, 다이아몬드가 아닌 기판을 연마하기 위해 종종 다이아몬드 분말로 세척하는 것, 그리고 일련의 테스트 실행을 통해 성장 동안 기판 온도(약 800 °C(1,470 °F))를 최적화하는 것을 포함합니다.가스는 항상 탄소 공급원, 전형적으로 메탄, 그리고 수소를 포함합니다. 전형적인 비율은 1:99입니다.수소는 다이아몬드가 아닌 탄소를 선택적으로 식각하기 때문에 필수적입니다.가스들은 마이크로웨이브 파워, 핫 필라멘트, 아크 방전, 용접 토치, 레이저, 전자 빔 또는 다른 수단들을 사용하여 성장 챔버에서 화학적 활성 라디칼로 이온화됩니다.

성장하는 동안 챔버 재료는 플라즈마에 의해 식각되어 성장하는 다이아몬드에 통합될 수 있습니다.특히, CVD 다이아몬드는 성장 챔버의 실리카 윈도우 또는 실리콘 기판으로부터 유래된 실리콘에 의해 오염되는 경우가 많습니다.[59]따라서 실리카 창은 피하거나 기판으로부터 멀어지게 됩니다.또한 챔버 내의 붕소 함유 종들은 매우 낮은 미량에서도 순수한 다이아몬드의 성장에 적합하지 않습니다.[49][58][60]

폭발물 폭발

주요 기사:폭발 나노 다이아몬드
An image resembling a cluster of grape where the cluster consists of nearly spherical particles of 5 nm (2.0×10−7 in) diameter
폭발 나노 다이아몬드 전자현미경(TEM)

다이아몬드 나노 결정(직경 5nm(2.0×10인치−7)은 금속 챔버에서 특정 탄소 함유 폭발물을 폭발시킴으로써 형성될 수 있습니다.이것들은 "디네이션 나노 다이아몬드"라고 불립니다.폭발이 일어나는 동안, 방 안의 압력과 온도는 폭발물의 탄소를 다이아몬드로 바꿀 수 있을 정도로 높아집니다.물에 잠기면 폭발 후 챔버가 급격히 냉각되어 새로 생성된 다이아몬드가 보다 안정적인 흑연으로 변환되는 것을 억제합니다.[61]이 방법의 변형에 있어서, 흑연 분말로 채워진 금속 튜브가 폭발 챔버 내에 배치됩니다.폭발은 흑연을 다이아몬드로 변환시키기에 충분한 정도로 가열하고 압축시킵니다.[62]이 제품은 흑연 및 기타 비다이아몬드 탄소 형태가 항상 풍부하며, 이들을 용해하려면 뜨거운 질산(약 250 °C(482 °F)에서 1일)에서 장시간 끓여야 합니다.[50]회수된 나노 다이아몬드 분말은 주로 연마 용도로 사용됩니다.주로 중국, 러시아, 벨라루스에서 생산되며 2000년대 초반부터 대량으로 시장에 진출하기 시작했습니다.[63]

초음파 공동화

마이크로 크기의 다이아몬드 결정은 대기압과 실온에서 흑연을 유기 액체에 현탁하여 초음파 공동을 이용하여 합성할 수 있습니다.다이아몬드 수율은 초기 흑연 중량의 약 10%입니다.이 방법에 의해 제조된 다이아몬드의 예상 비용은 HPHT 방법과 유사합니다. 제품의 결정성 완벽성은 초음파 합성에 있어서 현저히 떨어집니다.이 기술은 비교적 간단한 장비와 절차가 필요하지만, 두 개의 연구 그룹에 의해 보고되었을 뿐 산업적인 활용은 없습니다.초기 흑연 분말의 제조, 초음파 파워의 선택, 합성 시간 및 용매와 같은 수많은 공정 변수들은 아직 최적화되지 않았으며, 이는 초음파 합성의 효율성의 잠재적인 개선 및 비용 절감의 여지를 남겼습니다.[51][64]

특성.

전통적으로 결정 결함이 없는 것이 다이아몬드의 가장 중요한 특성으로 여겨집니다.다이아몬드는 순도와 높은 결정성의 완벽함으로 투명하고 투명하며, 경도, 광학적 분산성(광택), 화학적 안정성(마케팅과 결합)으로 인기 있는 원석입니다.높은 열전도율은 기술적 응용 분야에서도 중요합니다.높은 광학 분산은 모든 다이아몬드의 고유한 특성이지만, 다이아몬드가 어떻게 만들어졌는지에 따라 다른 특성이 달라집니다.[65]

결정성

다이아몬드는 하나의 연속적인 결정일 수도 있고 많은 작은 결정들로 구성될 수도 있습니다.크고 투명한 단결정 다이아몬드는 일반적으로 원석으로 사용됩니다.다결정 다이아몬드(PCD)는 강력한 빛 흡수와 산란을 통해 육안으로 쉽게 볼 수 있는 수많은 작은 알갱이들로 구성되어 있습니다. 보석에 적합하지 않고 채굴이나 절삭 도구와 같은 산업적인 용도로 사용됩니다.다결정 다이아몬드는 종종 그것을 구성하는 결정의 평균 크기(또는 결정립 크기)로 설명됩니다.입자 크기는 나노미터에서 수백 마이크로미터에 이르며, 보통 "나노결정"과 "마이크로결정" 다이아몬드라고 불립니다.[66]

경도

다이아몬드의 경도는 광물 경도의 모스 척도에서 10이며, 이 척도에서 가장 잘 알려진 물질입니다.다이아몬드는 압흔에 대한 저항성으로 가장 잘 알려진 물질이기도 합니다.[67]합성 다이아몬드의 경도는 순도, 결정성 완벽성 및 방향성에 따라 다릅니다. 경도는 [111] 방향(입방 다이아몬드 격자의 가장 긴 대각선을 따라)으로 배열된 흠잡을 데 없는 순수한 결정의 경우 더 높습니다.[68]CVD 다이아몬드 성장을 통해 생성된 나노결정 다이아몬드는 단결정 다이아몬드의 경도의 30% 내지 75% 범위를 가질 수 있으며, 특정 응용을 위해 경도를 조절할 수 있습니다.일부 합성 단결정 다이아몬드 및 HPHT 나노결정 다이아몬드(하이퍼 다이아몬드 참조)는 알려진 어떤 천연 다이아몬드보다 단단합니다.[67][69][70]

불순물 및 포함물

주요 기사:다이아몬드의 결정학적 결함

모든 다이아몬드에는 탄소 이외의 원자가 분석 기술로 검출 가능한 농도로 포함되어 있습니다.그 원자들은 포섭이라고 불리는 거시적 단계로 집합할 수 있습니다.불순물은 일반적으로 피하지만 다이아몬드의 특정 특성을 제어하기 위한 방법으로 의도적으로 도입될 수 있습니다.용매 촉매를 사용하는 합성 다이아몬드의 성장 공정은 일반적으로 재료의 전자 특성에 영향을 미치는 전이 금속 원자(니켈, 코발트 또는 철 등)를 포함하는 다수의 불순물 관련 복합 센터의 형성으로 이어집니다.[71][72]

예를 들어, 순수한 다이아몬드는 전기 절연체이지만 붕소가 첨가된 다이아몬드는 전기 도체(그리고 경우에 따라서는 초전도체)이므로 [73]전자 응용 분야에서 사용할 수 있습니다.질소 불순물은 격자 탈구(결정 구조 내의 결함)의 이동을 방해하고 격자를 압축 응력 아래에 놓이게 하여 경도와 인성을 증가시킵니다.[74]

열전도율

CVD 다이아몬드의 열전도율은 결함, 결정립 경계 구조에 따라 수십 W/mK에서2 2000 W/mK2 이상입니다.[75]CVD에서 다이아몬드가 성장함에 따라 결정립은 막 두께와 함께 성장하여 막 두께 방향을 따라 구배 열전도율로 이어집니다.[75]

대부분의 절연체와 달리 순수한 다이아몬드는 결정 내의 강한 공유 결합 때문에 우수한 열전도자입니다.순수한 다이아몬드의 열전도율은 알려진 고체 중 가장 높습니다.동위원소적으로 순수한 다이아몬드인 C가
풍부한 합성 다이아몬드 단결정(99.9%)은 상온에서 30W/cm·K로 가장 높은 열전도율을 가지고 있으며, 구리보다 7.5배나 높습니다.천연 다이아몬드의 전도율은 자연적으로 존재하는 C에
의해 1.1% 감소하며, 이는 격자 내에서 비균질성으로 작용합니다.[76]

다이아몬드의 열전도율은 전자 열 탐사기를 사용하여 다이아몬드와 모조품을 분리할 수 있는 보석상과 보석학자들에 의해 사용됩니다.이 프로브는 미세한 구리 팁에 장착된 한 쌍의 배터리 구동 서미스터로 구성됩니다.하나의 서미스터는 가열 장치로 작동하고 다른 하나는 구리 팁의 온도를 측정합니다. 시험 중인 돌이 다이아몬드라면, 이는 측정 가능한 온도 강하를 일으킬 수 있을 정도로 충분히 빠르게 팁의 열 에너지를 전도합니다.이 테스트는 약 2~3초 정도 걸립니다.[77]

적용들

가공 및 절삭공구

A polished metal slab embedded with small diamonds
앵글 그라인더 블레이드의 다이아몬드

합성 다이아몬드의 대부분의 산업적 응용은 오랫동안 다이아몬드의 경도와 관련이 있습니다. 이러한 특성은 다이아몬드를 공작기계와 절삭공구에 이상적인 재료로 만듭니다.가장 단단하게 알려진 자연적으로 발생하는 물질로서, 다이아몬드는 다른 다이아몬드를 포함하여 어떤 물질이든 연마, 절단 또는 마모시키는 데 사용될 수 있습니다.이 능력의 일반적인 산업적 응용에는 다이아몬드 팁 드릴 비트 및 톱, 연마제로서 다이아몬드 분말의 사용이 포함됩니다.[78]이것들은 단연코 합성 다이아몬드의 가장 큰 산업적 응용입니다.천연 다이아몬드가 이러한 목적에도 사용되는 반면, 합성 HPHT 다이아몬드는 기계적 특성의 더 나은 재현성 때문에 더 인기가 있습니다.다이아몬드는 철 합금을 고속으로 가공하는 데 적합하지 않습니다. 탄소는 고속 가공에 의해 생성된 고온에서 철에 용해되어 대체품에 비해 다이아몬드 공구의 마모가 크게 증가하기 때문입니다.[79]

절삭 공구에서 다이아몬드의 일반적인 형태는 공구 위에 소결된 금속 매트릭스(보통 코발트)에 분산된 마이크론 크기의 알갱이입니다.이것은 통상적으로 업계에서 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond, PCD)로 지칭되며, PCD-팁핑된 도구들은 채굴 및 절단 응용들에서 발견될 수 있습니다.지난 15년 동안 CVD 다이아몬드로 금속 도구를 코팅하는 작업이 이루어졌으며, 가능성을 보여주었지만 기존의 PCD 도구를 크게 대체하지는 못했습니다.[80]

열전도체

열전도율이 높은 대부분의 물질은 금속과 같은 전기 전도성이기도 합니다.반면 순수 합성 다이아몬드는 열전도율은 높지만 전기전도율은 무시할 수 있습니다.이 조합은 다이아몬드가 고출력 레이저 다이오드, 레이저 어레이 및 고출력 트랜지스터의 히트 스프레더로 사용되는 전자 제품에 매우 유용합니다.효율적인 방열은 전자 장치의 수명을 연장하며, 장치의 높은 교체 비용은 상대적으로 비싸지만 효율적인 다이아몬드 방열판의 사용을 정당화합니다.[81]반도체 기술에서 합성 다이아몬드 열 스프레더는 실리콘 및 기타 반도체 장치의 과열을 방지합니다.[82]

광학소재

다이아몬드는 단단하고 화학적으로 불활성이며 열전도율이 높고 열팽창계수가 낮습니다.이러한 특성으로 인해 다이아몬드는 적외선 및 마이크로파 방사에 사용되는 기존의 다른 윈도우 재료보다 우수합니다.따라서, 고출력 CO 레이저 및2 자이로트론의[83] 출력창으로서 합성 다이아몬드가 셀레나이드 아연을 대체하기 시작하고 있습니다.이러한 합성 다결정 다이아몬드 윈도우는 직경이 크고(자이로트론의 경우 약 10cm) 두께가 작은(흡수를 줄이기 위해) 디스크 형태이며 CVD 기술로만 제작할 수 있습니다.[84][85]최대 약 10mm 길이의 단결정 슬라브는 레이저 공동 내부의 히트 스프레더, 회절 광학 및 라만 레이저의 광학 이득 매체를 포함한 광학의 여러 영역에서 점점 더 중요해지고 있습니다.[86]HPHT 및 CVD 합성 기술의 최근의 발전은 싱크로트론과 같은 고출력 방사 소스에서 회절 격자 및 윈도우 재료로서 실리콘을 대체할 수 있을 정도로 단결정 다이아몬드의 순도 및 결정 구조 완성도를 향상시켰습니다.[87][88]다이아몬드 앤빌 셀을 이용하여 초고압에서 재료의 전기적 및 자기적 특성을 측정하는 도구로서 설계자 광학적으로 투명한 다이아몬드 앤빌을 제작하기 위해 CVD 및 HPHT 공정이 모두 사용됩니다.[89]

일렉트로닉스

합성 다이아몬드는 붕소와 인과 같은 불순물로 도핑될 수 있기 [90]때문에 반도체로서 잠재적인 용도를 가지고 있습니다.이 원소들은 탄소보다 하나 또는 하나의 원자가 전자를 덜 포함하기 때문에 합성 다이아몬드를 p형 또는 n형 반도체로 바꿉니다.합성 다이아몬드에 붕소와 인을 순차적으로 도핑하여 p-n 접합을 형성하면 235 nm의 UV 광을 생성하는 발광 다이오드(LED)가 생성됩니다.[91]전자 장치에 사용되는 합성 다이아몬드의 또 다른 유용한 특성은 단결정 CVD 다이아몬드의 전자에 대해 4500 cm/(V·s)에2 달하는 높은 캐리어 이동도입니다.[92]높은 이동성은 고주파 작동에 유리하며 다이아몬드로 만든 전계 효과 트랜지스터는 이미 50GHz 이상의 유망한 고주파 성능을 보여주었습니다.[93][94]다이아몬드의 넓은 밴드갭(5.5eV)은 우수한 유전 특성을 제공합니다.다이아몬드의 높은 기계적 안정성과 결합하여 이러한 특성은 발전소용 원형 고출력 스위치에 사용되고 있습니다.[95]

합성 다이아몬드 트랜지스터는 실험실에서 생산되었습니다.그들은 실리콘 장치보다 훨씬 높은 온도에서 기능성을 유지하며 화학물질 및 방사선 손상에 저항력이 있습니다.아직 상업용 전자제품에 성공적으로 통합된 다이아몬드 트랜지스터는 없지만, 예외적으로 고출력 환경과 적대적인 비산화성 환경에서 사용될 가능성이 높습니다.[96][97]

합성 다이아몬드는 이미 방사선 검출 장치로 사용되고 있습니다.방사선이 단단하고 5.5 eV(실온에서)의 넓은 밴드갭을 갖습니다.다이아몬드는 또한 안정적인 자연 산화물의 부족으로 대부분의 다른 반도체들과 구별됩니다.이는 표면 MOS 소자의 제조를 어렵게 하지만, 표면층에서 흡수되지 않고 활성 반도체에 접근할 수 있는 UV 복사의 가능성을 야기합니다.이러한 특성 때문에 Stanford Linear Accelerator의[98] BaBar 검출기 및 BOLD(VUV 태양 관측을 위한 광학 광 검출기에 대한 블라인드)와 같은 용도에 사용됩니다.[99][100]최근 유럽 LYRA 프로그램에서 다이아몬드 VUV 검출기가 사용되었습니다.

전도성 CVD 다이아몬드는 여러 상황에서 유용한 전극입니다.[101]CVD를 통해 생성된 다결정 다이아몬드 필름의 표면에 DNA를 공유결합시키기 위한 광화학적 방법이 개발되었습니다.이러한 DNA 변형 필름은 다양한 생체 분자를 검출하는데 사용될 수 있으며, 이는 DNA와 상호작용하여 다이아몬드 필름의 전기 전도도를 변화시킵니다.[102]또한 다이아몬드는 일반적으로 연구할 수 없는 산화환원 반응을 감지하는 데 사용될 수 있으며 일부 경우에는 물 공급에서 산화환원 반응성 유기 오염물질을 분해합니다.다이아몬드는 기계적, 화학적으로 안정적이기 때문에 전통적인 재료를 파괴할 수 있는 조건에서 전극으로 사용될 수 있습니다.전극으로서 합성 다이아몬드는 유기 유출물의[103] 폐수 처리와 강한 산화제의 생산에 사용될 수 있습니다.[104]

원석

주요 기사:다이아몬드(젬스톤)
A colorless faceted gem
화학기상증착법에 의해 성장한 다이아몬드에서 잘라낸 무색의 보석

원석으로 사용하기 위한 합성 다이아몬드는 HPHT[38] 또는 CVD법에[105] 의해 재배되며, 2013년 기준으로 원석 품질의 다이아몬드 시장의 약 2%를 차지하고 있습니다.[106]그러나 기술의 발전이 더 경제적인 규모로 더 큰 고품질의 합성 생산을 가능하게 함에 따라 합성 보석 품질 다이아몬드의 시장 점유율이 증가할 수 있다는 징후가 있습니다.[107]노란색, 분홍색, 녹색, 오렌지색, 파란색, 그리고 약간은 무색(또는 흰색)입니다.노란색은 제조공정에서 질소 불순물이 나오는 반면, 파란색은 붕소가 나오는 것입니다.[36]분홍색이나 녹색과 같은 다른 색상은 방사선 조사를 이용한 합성 후에 얻을 수 있습니다.[108][109]몇몇 회사들은 화장된 유골을 사용하여 기른 추모 다이아몬드도 제공합니다.[110]

실험실에서 자란 보석 품질의 다이아몬드는 화학적, 물리적, 광학적으로 자연적으로 생성된 다이아몬드와 동일할 수 있습니다.채굴된 다이아몬드 업계는 합성 다이아몬드의 출현으로부터 시장을 보호하기 위해 법적, 마케팅 및 유통 대책을 마련했습니다.[111][112]합성 다이아몬드는 적외선, 자외선 또는 X선 파장의 분광법으로 구별할 수 있습니다.De Beers의 DiamondView 테스터는 HPHT 또는 CVD 다이아몬드에서 질소, 니켈 또는 기타 금속의 미량 불순물을 검출하기 위해 UV 형광을 사용합니다.[113]

적어도 실험실에서 재배한 다이아몬드 제조업체 한 곳은 다이아몬드의 본질과 모든 원석에 레이저가 새겨진 일련번호를 "공개하기 위해" 헌신하고 있다는 공식 성명을 발표했습니다.[105]회사 웹사이트는 "Gemesis created"라는 단어와 일련번호 접두사 "LG"(실험실에서 자란)를 모두 포함하는 레이저 비문 중 하나의 글자 예를 보여줍니다.[114]

2015년 5월, HPHT 무색 다이아몬드의 기록은 10.02캐럿이었습니다.이 면으로 된 보석은 약 300시간 만에 자란 32.2캐럿의 돌로 잘라낸 것입니다.[115]2022년까지 16~20캐럿의 보석 품질의 다이아몬드가 생산되었습니다.[116]

전통적인 다이아몬드 채굴은 아프리카와 다른 다이아몬드 채굴 국가들에서 인권 침해로 이어졌습니다.2006년 할리우드 영화 블러드 다이아몬드는 이 문제를 널리 알리는데 도움을 주었습니다.소비자들이 윤리적으로 튼튼하고 가격이 저렴한 돌을 찾으면서 비록 작은 기초에서부터 시작되었지만 합성 다이아몬드에 대한 소비자 수요는 증가하고 있습니다.[117]어떤 종류의 채굴이든 또한 생물 다양성에 돌이킬 수 없는 변화를 일으킵니다.[118]

Gem & Jewellery 수출촉진위원회의 보고서에 따르면 2014년 원석으로 사용하기 위해 생산된 다이아몬드 중 합성 다이아몬드가 0.28%를 차지했습니다.[119]2022년 4월, CNN 비즈니스는[120] 합성 다이아몬드 또는 실험실에서 재배한 다이아몬드가 포함된 약혼 반지가 전년 대비 63% 증가한 반면, 천연 다이아몬드가 포함된 약혼 반지의 판매 수는 같은 기간에 25% 감소했다고 보고했습니다.

2016년경 합성 다이아몬드 원석(예: 1캐럿 스톤)의 가격은 1년 만에 약 30% 하락하기 시작하여 채굴된 다이아몬드보다 확실히 낮아졌습니다.[121]2017년 현재 보석으로 판매되는 합성 다이아몬드는 일반적으로 천연 다이아몬드보다 15~20% 저렴한 가격에 판매되고 있으며, 생산 경제성이 향상됨에 따라 상대적인 가격은 더욱 하락할 것으로 예상됩니다.[122]

2018년 5월, 드 비어스는 합성 다이아몬드를 특징으로 하는 새로운 보석 브랜드 "Lightbox"를 소개할 것이라고 발표했습니다.[123]

2018년 7월, 미국 연방 무역 위원회는 보석 가이드에 대한 실질적인 개정을 승인했는데, 이는 무역이 다이아몬드와 다이아몬드 시뮬레이션을 어떻게 설명할 수 있는지에 대한 새로운 규칙을 부과하는 변화입니다.[124]개정된 가이드는 2016년 드 비어스(De Beers)가 제창했던 것과 상당 부분 상반되었습니다.[123][125][126]새로운 지침은 "다이아몬드"의 정의에서 "자연적인"이라는 단어를 삭제하고, 따라서 "다이아몬드"의 정의 범위에 실험실에서 재배한 다이아몬드를 포함합니다.개정된 가이드는 "만약 마케팅 담당자가 '합성'을 사용하여 경쟁사의 실험실에서 생산된 다이아몬드가 실제 다이아몬드가 아니라는 것을 암시한다면, 이는 기만적인 것입니다."[127][125]라고 덧붙였습니다.공정위 개정안은 2019년 7월 제3자 다이아몬드 인증랩 GIA(Gemological Institute of America)가 연구실에서 생산한 다이아몬드에 대해 '합성'이라는 단어를 인증절차 및 보고서에서 삭제했다고 밝혔습니다.[128]

참고 항목

메모들

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    • 아카데미 과학 아카데미, 1828년 12월 1일:[10] "타나르 씨는 1828년 11월 26일 카냐르 드 라투르가 인공 다이아몬드로 제시한 가루에 대한 실험록을 낭독했습니다."

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서지학

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