실험실에서 자란 다이아몬드가 만들어지는 방법: HPHT와 CVD 방법 비교

소개

실험실 재배 다이아몬드는 채굴된 다이아몬드의 현대적인 대안입니다. 천연 다이아몬드와 동일한 화학 성분을 가지고 있습니다. 통제된 조건에서 재배됩니다. 실험실 재배 다이아몬드를 만드는 두 가지 주요 프로세스에 대해 설명해드리겠습니다.

랩그로운 다이아몬드란 무엇인가요?

실험실 재배다이아몬드는 지구가 아닌 실험실에서 성장한 결정체입니다. 순수한 탄소로 만들어집니다. 천연 다이아몬드가 공유하는 sp³ 결합과 큐빅 결정 구조를 가지고 있습니다. 화학적으로도 동일합니다. 대부분의 경우 광채와 경도는 본질적으로 동일합니다.

인조 다이아몬드의 주요 장점은 채굴을 하지 않기 때문에 윤리적 조달이 가능하다는 점입니다. 환경에 미치는 영향이 미미하고 채굴된 다이아몬드보다 비용이 저렴합니다. 최종 제품에 대한 품질 관리가 잘 이루어집니다. 이러한 이유로 주얼리뿐만 아니라 산업 분야에서도 선호되고 있습니다.

다이아몬드 성장 기술 개요

다이아몬드의 합성 역사는 1950년대까지 거슬러 올라갑니다. 초기 실험은 다이아몬드가 자연 밖에서 형성될 수 있는지 확인하기 위해 수행되었습니다. 현재에는 두 가지 공정이 확립되어 있습니다.

첫 번째 방법은 고압 및 고온 공정입니다. 이는 수백만 년에 걸쳐 다이아몬드가 형성되는 지구 내부의 자연적인 과정을 모방한 것입니다. 두 번째 방법은 화학 기상 증착입니다. 이 방법은 다이아몬드를 원자 단위로 제작하며 성장 과정을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

두 공정 모두 시간이 지남에 따라 개선되었습니다. 두 공정 모두 각각의 조건과 장비가 있습니다. 두 공정 모두 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 두 공정의 특징과 이점에 대해 알아보세요.

고압 및 고온 방법

고압 및 고온 성장의 원리

이 공정은 다이아몬드 형성이 매우 엄격한 조건을 포함한다는 사실에 의존합니다. 이 공정은 5~6기가파스칼의 압력을 사용합니다. 온도는 1500~1600°C 가까이 유지됩니다. 이러한 조건은 흑연이 다이아몬드로 변하는 것을 촉진합니다. 이러한 극한의 조건을 통해 다이아몬드로의 변환이 이루어집니다. 이 과정은 자연의 과정과 유사하지만 매우 짧은 시간 내에 이루어집니다.

장비 및 설정

이 공정에는 특별한 장비가 필요합니다. 프레스 시스템은 다양합니다. 큐빅 프레스, 벨트 프레스, 스플릿 스피어(또는 BARS 프레스) 시스템이 일반적입니다. 이러한 기계에서는 고압과 온도를 관리할 수 있습니다. 이러한 기계는 성장 과정에 제어 시스템을 제공합니다.

공정 단계

이 방법은 작은 다이아몬드 씨앗으로 시작합니다. 탄소 공급원이 추가되고 극한의 조건에 노출됩니다. 용융 금속 촉매인 철, 니켈 또는 코발트가 투입됩니다. 촉매는 탄소 원자가 다이아몬드 모양으로 배열되도록 도와줍니다. 성장은 매우 느립니다. 다이아몬드 결정은 시간이 지남에 따라 씨앗에서 바깥쪽으로 형성됩니다. 이 과정은 크기와 품질에 따라 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있습니다.

일반적인 특성

이 과정에서 형성된 다이아몬드는 약한 황색을 띨 수 있습니다. 이러한 황색 색조의 원인은 성장이 진행되는 동안 질소가 유입되기 때문입니다. 또한 뚜렷한 내포물 패턴과 눈에 보이는 성장 영역이 나타납니다. 산업용 등급과 보석 등급의 다이아몬드가 생산될 수 있습니다. 이러한 다이아몬드는 물리적 특성이 절단, 드릴링, 연삭과 같은 작업에 적합하기 때문에 산업에서 가장 많이 사용됩니다.

화학 기상 증착 공정

화학 기상 증착 성장 원리

화학 기상 증착 공정은 독특합니다. 수소와 메탄과 같은 탄화수소 가스의 혼합에서 시작됩니다. 탄소 플라즈마는 진공 챔버 내부의 기체상에서 생성됩니다. 원자가 기판 위에 떨어지면서 다이아몬드를 층층이 쌓아 올립니다. 이 과정을 통해 과학자들은 결과물인 다이아몬드의 순도와 구조를 더욱 세밀하게 제어할 수 있습니다.

공정 단계

이 방법의 첫 번째 단계는 깨끗한 기판을 준비하는 것입니다. 기판에는 일반적으로 미세한 다이아몬드 씨앗이 포함되어 있습니다. 그런 다음 진공 챔버에서 공정이 진행됩니다. 탄화수소 가스 해리에는 마이크로파 플라즈마 또는 핫 필라멘트가 사용됩니다. 탄소 원자가 방출된 후 기판에 스스로 증착됩니다. 성장 속도, 챔버 온도 및 가스 비율은 신중하게 제어됩니다. 이러한 정밀한 스태킹을 통해 매우 균일한 다이아몬드 층을 형성할 수 있으며, 금속 내포물이 적게 함유되는 경우가 많습니다.

결과물인 다이아몬드 품질

화학 기상 증착 방식은 매우 순수한 다이아몬드를 생산할 수 있습니다. 이러한 다이아몬드는 대부분 무색이며 타입 IIa 다이아몬드라고 불립니다. 이러한 다이아몬드는 내부 구조가 매우 균일합니다. 이 방법은 대부분 고압 및 고온 방식에 비해 결함이 적습니다. 매우 투명하고 제어된 특성을 가지고 있기 때문에 고급 보석에 이상적입니다. 반도체에서도 이러한 고품질 다이아몬드를 다양한 용도로 활용합니다.

결론

실험실 다이아몬드는 첨단 기술과 수십 년에 걸친 연구의 결과물입니다. 고압 및 고온 방식은 자연을 그대로 재현합니다. 이 방법은 촉매와 함께 강한 압력과 열을 사용하여 흑연을 다이아몬드로 변환합니다. 화학 기상 증착 방식은 실험실에서 다이아몬드를 원자 단위로 제작합니다. 두 방법 모두 장단점이 있습니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)를 참조하세요.

자주 묻는 질문

질문: 천연 다이아몬드와 실험실에서 자란 다이아몬드의 가장 큰 차이점은 무엇인가요?

A: 실험실 재배 다이아몬드는 실험실에서 생산되는 반면, 천연 다이아몬드는 땅속에서 형성됩니다.

질문: 고압 및 고온 공정을 선택하는 이유는 무엇인가요?

A: 자연적인 방법을 매우 유사하게 시뮬레이션하고 고유하게 형성된 다이아몬드를 만들기 때문입니다.

질문: 화학 기상 증착 공정은 어떻게 다이아몬드의 품질을 보장하나요?

A: 다이아몬드가 균일하게 성장할 수 있도록 엄격한 제어 하에 원자 하나하나를 쌓아 올립니다.