인공 다이아몬드 제조와 현재 : 실험실에서 만들어지는 다이아몬드 라이트박스(lightbox)

 

여러분은 다이아몬드에 대해 얼마나 알고 계시나요? 사실 다이아몬드 하면 가장 먼저 떠오르는 것은 결혼반지가 아닐까 싶네요. 잘 알려져있는 것처럼 다이아몬드는 순수, 영원한 사람 등의 의미를 가지는 보석이라 축복받는 결혼식에서 많이들 애용하고, 많은 여성분들의 로망이라고 알려져 있죠?

 

하지만 요즘은 다이아몬드 시장에 새로운 바람이 분다는거 알고 계신가요? 다이아몬드에 대해 여러분이 이미 알고 계시던 사실부터 아직은 꽤나 생소한 새로운 최신 정보까지 오늘 포스팅에서 다뤄볼까 합니다. 유익한 정보가 되었으면 좋겠네요. ^^

 

 

다이아몬드란 무엇인가? - 화학적 구조와 그 특징

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우선 다이아몬드의 구성성분에 대해서는 많이들 알고 계시는 것 처럼 오로지 탄소로 이루어져 있습니다. 탄소는 모든 유기물의 핵심이 되는 원소이자 실생활에서도 굉장히 익숙한 원소이지요? 우리의 몸도 유기물이기 때문에 탄소가 굉장히 많이 포함되어 있지요. 하지만 다이아몬드는 오로지 딱 탄소로만 이루어져 있답니다. 다이아몬드처럼 탄소로만 이루어진 물질들이 몇 있는대요 우선 흑연! 우리가 쓰는 검은 연필심이 탄소로만 이루어져 있으니 화학 성분상으론 다이아몬드와 동일하지요.

 

이러한 탄소의 동소체(allotropy)은 꽤나 다양하답니다.

 

**동소체란? 같은 원소로 구성된 물질이지만 성질이 다른 구조인 다양한 형태를 지칭하는 말이다.

 

 

 

대표적인 탄소의 동소체는 위와 같답니다. 탄소의 동소체는 굉장히 독특하고 유용한 특징 때문에 과학적으로도 매우 의미가 큰 편이랍니다. 과학에 관심이 없으신 분들도 최근에는 그래핀(Graphene) 소재에 대해 뉴스 등을 통해 접해보셨겠죠? 그래핀은 흑연(Graphite)의 한 층이 따로 떨어져 있는 구조를 지칭한답니다.

 

1996년 노벨화학상 - 풀러렌(Fullerene) 발견 (스몰리)

2010년 노벨물리학상 - 그래핀 분리 (안드레 가임)

 

이렇게 비교적 최근 탄소 동소체를 가지고 노벨상이 두번이나 나왔고 화학, 물리 분야를 가리지 않고 매우 큰 임팩트가 있답니다. 더구나 카본나노튜브도 노벨상 후보로 거론되곤 하였으나 살짝 아쉽게 놓친 느낌입니다. 이 밖에도 최근 연구들을 통해 다른 탄소 동소체도 추가되고 있죠. 또 재미있는 점은 탄소 동소체중 다이아몬드는 투명하지만 나머지는 모두 새까맣답니다.

 

눈썰미 좋으신 분들은 이미 찾으셨겠지만 다이아몬드 구조에서 탄소는 4개의 탄소와 이어져 있는 반면 다른 구조에서는 모두 3개의 탄소와 이어져 있지요. 그러한 차이가 구조의 전자적 성질을 바꿔 다른 광학적 특징을 나타내는 것이랍니다.

 

흑연과 다이아몬드가 성분이 같다면 흑연으로 다이아를 만들 수 있을까? 이게 더 상업적으로 의미있는 물음이겠죠. 우리가 관심있는 것이기도 하고요. 굉장히 의미있는 질문이랍니다. 오늘의 인공 다이아몬드가 그런 물음에서 시작되었으니까요.

 

▲ 슈퍼맨이 그 어려운걸 해내는 장면 (슈퍼맨3, 1983)

 

이제는 고전이 되어버린 슈퍼맨의 한 장면입니다. 석탄? 흑연?을 가지고 악력만으로 다이아몬드로 바꾸는 명장면이죠. 슈퍼맨의 엄청난 파워를 부각시키기 위한 장면이였지만 이게 과학적으로 말이 되는 소리일지 한번 살펴보면서 이야기를 풀어나가도록 하죠.

 

 

인공 다이아몬드란 무엇?

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우선 혹시라도 오해하고 계시는 분들이 계실 수 있으니 짚고 넘어가면 흔히 짝퉁 다이아몬드로 알려진 큐빅은 모조 다이아몬드라는 표현이 맞겠죠? 실제로 큐빅은 구성성분이 탄소가 아닌 산화지르코니아 (ZrO2)로 다이아몬드랑 비슷한 점이 거의 없죠. 하지만 막상 작정하고 속이면 우리눈으로 구분하기 쉽지 않다는 것!!

 

▲ 다이아몬드와 큐빅 (한눈에 알아보면 인정)

 

 '그것도 구분못하냐?' 라고 생각하신 분들 많죠? 하지만 막상 사진으로 보니 어떠세요? 길거리 큐빅 제품을 알아보는 것과는 난이도가 차원이 다르죠? 원래 큐빅은 상대적으로 싸구려라 컷팅에 이렇게 공을들이지 않기 때문에 알아보던 것인데 이렇게 작정하고 깍아놓으면 생각만큼 구분이 쉽지 않답니다.

 

이쯤에서 토막상식!!! 다이아몬드는 4C 가 가격을 결정한다 합니다.

 

4C란? 

Carat(무게)   Clarity(선명도)   Color(색상)   Cut(연마)

 

이렇게 4가지랍니다. 혹시라도 Carat에 대해 잘 알고 계신가요? 예전에 Carat 에 대해 재밌는 글을 작성한게 있는데 혹시 관심 있으신 분들은 아래글을 봐주세요. (정말 알기 쉽고 재밌게 썻답니다....ㅋㅋ)

 

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[달콤한 꿀팁] - Karat vs Carat : 금 캐럿 vs 다이아몬드 캐럿 (feat. 브루노 마스 '24K Magic')

 

 

다시 돌아와서 인공 다이아몬드! 우리도 슈퍼맨처럼 힘이 쌔다면 흑연을 다이아로 만들어 낼 수 있을까요?

 

▲ 탄소의 상평형도(Phase diagram) Graphite vs. Diamond

  

아마 많은 분들이 이 상평형도는 익숙하지 않으실테지만 간단히 설명드리면 x축은 온도 y축은 압력. 그리고 영역은 그 온도 압력 조건에서 가장 안정한 상(Phase)가 무엇인지를 나타내는 것이랍니다. y축 단위가 GPa이죠? 1기압이 1013 hPa 인걸 감안한다면 무지막지한 압력이랍니다. 슈퍼맨의 손아귀 힘이 얼마나 쌘지 이걸 보니 잘 알거 같습니다. (사실 슈퍼맨 좀 과학적으로 오류가 있긴 하지만 언급하지 않기로)

 

천연 다이아몬드는 실제로 땅 속에서 이처럼 고온+고압 조건하에서 생성되어 그걸 우리가 채굴하고 있는 것! 그리고 반대로 말하면 고온+고압 조건을 인위적으로 만든다면 다이아몬드를 만들 수 있다는 뜻이기도 하죠.

 

1954년 그 일이 실제로 일어났습니다!! 최초로 다이아몬드를 고온고압합성법을 이용해 만들었지만 역시 기술은 시간이 필요한 법. 최근에 들어서야 화학기상석출법(CVD)으로 좀 더 낮은 압력하에서도 생산이 가능해지며 상업적으로 가능한 수준까지 도달했답니다. 이렇게 인공적으로 합성한 다이아몬드는 천연 다이아몬드와 비교해서 광학적으로 차이가 없고 구성도 동일하고 심지어 더 단단하기도 하다고 하니 우리가 이성적으로 생각한다면 굳이 천연을 고집하지 않아도 된다고 봅니다.

 

 

▲ 인공 다이아몬드 합성 과정 (CVD 방법) 출처는 우측하단! (꾸벅)

 

CVD 방법은 Chemical Vapor Deposition의 약자로 고온 고압에서 플라즈마를 통해 메탄(CH4)의 탄소 원자를 씨앗(Seed)에 붙여 성장시키는 방식으로 흔히 단결정 성장을 생각하시면 적절하답니다. 만들어질때 첨가하는 물질을 통해 의도적으로 색상을 추가하는 방법도 있고 순도도 쳔연 다이아몬드에 비해 나쁘지 않죠. 거기다 가격이 10~15%라고 하니 엄청나죠?

 

이 글을 보고 계시는 많은 분들은 아마 어떻게 인공 다이아몬드로 싸게 구입할 방법이 없을까 관심이 급 생기셨을거 같다는 생각도 드네요 ㅎㅎ 특히 결혼을 앞두신 분들 중에는 관심이 많을 것 같습니다.

 

**여기서 또 하나의 토막 상식!**

 

다이아몬드의 가장 큰 특징은 가장 단단한 물질이라는 것! 금강석(다이아몬드)은 모스 경도(Mohs' hardness) 10의 정점에 위치한 물질로 우리에게 잘 알려져 있지요. 하지만 잘 알려지지 않은 특징이 하나 더 있답니다. 바로 열전도율!

 

▲ 다이아몬드는 단단하기만 한게 아니라 열전도율도 최고!

 

저도 사실 글을 쓰며 알았네요..;; 흔히 은(Silver)가 열전도율이 높다라고들 하는데 다이아몬드는 훨씬 높군요. 더구나 부도체 성질도 차별성이 있기 때문에 미래에는 다이아몬드가 전자제품에도 많이 들어갈 가능성이 있어보이니 인공 다이아몬드의 잠재력이 더 높아보이는 군요.

 

 

인공 다이아몬드 쓰이고 있는가?

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놀랍게도 이미 인공 다이아몬드는 사용되고 있습니다. 몇가지 재미있는 사례들만을 우선 소개할까 합니다.

 

1. 일진다이아(ILJIN diamond)

 

- 놀랍게도 국내에 인공다이아몬드를 제조하는 회사가 있습니다. 그것도 1987년 세계에서 3번째로 공업용 인공 다이아몬드를 생산했다고 하니 우리나라의 기술력에 다시 한번 감탄하게 됩니다.

(예전에 무슨 마피아 협박설도 있었는데 ㅋㅋ) 

 

- 무려 코스피 상장사입니다. 더구나 2017년 주가가 엄청나게 점핑했군요? 기업 분석은 이 글에서 다루지는 않겠습니다만 한번 기회될 때 살펴보고 기록으로 남기도록 하겠습니다.

 

2. 새로운 장례문화? (Memorial diamonds)

 

- 요즘은 화장이 많이 일상적인 장례 방식으로 자리를 잡았지요. 거기에서 더 나아가서 화장한 재를 가지고 다이아몬드를 만들어주는 기업이 있다고 합니다. 다수의 기업이 있는지라 회사를 다루지는 않겠습니다만 뭐 대단하네요. 사람도 유기물인 만큼 탄소가 많고 그를 이용해 다이아몬드를 만들어내는게 가능하겠지요? 유투브로 자세한 설명을 대체합니다.

 

▲ 개인적으로 꽤나 의미있는 방식이라고 생각합니다.

좀 이상하게 들리긴 하지만 항상 착용하고 다닐수도... 

 

3. 인공다이아 보석으로 사용되다?

 

- 다이아몬드하면 떠올라야 하는 회사가 하나 있답니다. 알고 계시나요? 드비어스(De Beers) 다이아몬드의 대부분을 유통하는 독점적 지위의 회사로 'Diamond is Forever' 라는 마케팅으로 다이아몬드에 대한 인식을 송두리째 뒤바꾼 엄청난 회사랍니다. 그런대 2018년 9월 불과 몇달전 드비어스에서 인공 다이아몬드 쥬얼리 브랜드를 런칭했다고 합니다. 그 이름하여 'LIGHTBOX' (라이트박스, lightbox).

 

▲ Lab-grown diamonds 'LIGHTBOX' (홈페이지 Link)

 

- Lab grown diamond라는 말이 꽤나 멋지게 들립니다. (저만 그럴수도..)

 

- 많은 분들이 한번에 못알아차릴 포인트를 하나 짚어드리면 Carat과 가격이 비례하죠? 1/4 Carat이 $200 이라면 1 Carat은 정확히 4배인 $800. 일반적으로 천연 다이아몬드는 무게가 2배가 되면 4~8배 사이의 가격 차이가 있다고 합니다. 하지만 인공 다이아몬드는 성장시키는 시간에 따라서 크기를 키워나갈 수 있고 그렇기 때문에 간단명료하게 크기와 가격이 1차적으로 비례하게 되는 것이지요.

 

- 드비어스는 이미 천연 다이아몬드 시장의 지배자. 그러한 드비어스가 인공 다이아몬드를 보석으로 만들어 판다는 것은 그만큼 미래에는 보편화 될 것이라는 뜻이기도 하지요. 많은 분들이 오해하는 것은 다이아몬드가 2차대전 이후에나 귀한 보석 취급을 받았다는 헛소문인대요. 사실 다이아몬드는 아주 오래전 고대부터 그 빛깔로 인해 귀하게 여겨졌답니다. 하지만 가격이 싸지면 괜히 더 하찮게 여겨지는 불상사가 생길까 싶은데요. 드비어스가 주도하는 만큼 조심할거 같습니다.

 

  

끝으로 이글을 보시는 분들은 인공 다이아몬드가 마치 천연 다이아의 짝퉁 이런 인식이 없으셨으면 합니다. 실제로 테스트 기계로는 구분이 불가능하며, 정밀한 관찰을 할 경우 인공 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 미세 무늬가 더 깨끗하기 때문에 그걸로 구분한다고 합니다. (반전 아닌가요?)

 

진짜진짜 마지막으로 다이아몬드 관련 유머 영상을 공유하고 글을 마칠까 합니다.

 

▲ 허허허 태워서 '구분'을 하네요. 깔끔하게 사라진 다이아몬드 (그럴거면 나 주라...)

 

어떠셨나요 인공 다이아몬드에 대해 알아보니 궁금한게 생기셨다면 댓글로 남겨주세요.

감사합니다. 퍼가거나 참고하실 때는 인용 부탁드려요.