다이어먼드 (diamond, 금강석(金剛石)) - 합성과 산업용 다이어먼드

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거의 모든 현대의 산업공정들은 절단과 광택을 위한 다이어먼드들을 필요로 한다. 최고급의 예술유리 제조업체인 Steuben조차도 납유리에 그 일품의 도안들을 새기기 위하여 끝에 다이어먼드가 박혀있는 펜(pen)들에 의존한다.

세기가 바뀌기 바로 전, Paris의 실험실에서 홀로 연구 중이던 한 과학자에게 모든 사람들이 가장 영속적으로 꿈꾸어 왔던 것 중의 하나가 실현되었다. Auguste Verneuil는 모든 사람들이 불가능하다고 생각했던 것을 성취했다: 그는 일반적인 화학품인 aluminum oxide와 chromium 자루들을 가지고 매우 간단한 화염용융(flame fusion)으로 홍옥들로 변형시켰다. 그 성취만으로도, 다이어먼드를 만드는, 보석합성이라는 Everest산을 올라가는 것에 관심을 증폭시켰다. 반 세기, 수백만 불 그리고 엄청나게 많은 과학자들에 뒤이어, General Electric은 고온과 고압을 결합하여 지하 100 마일(mile)(약 160.9 km)의 조건을 복제하였다고 발표하였다: 1950년대에 G.E.는 탄소를 산업용 다이어먼드들로 변환하기 시작했다.

다이어먼드 중개업자들은 성장 다이어먼드들로 인해서 천연 보석거래가 붕괴될 것이라고 애태웠다. G.E.는 일부의 보석과 거의 보석같은 다이어먼드들을 만들었지만, 그것들을 만드는 것이 그 당시 판매되던 천연 다이어먼드들보다 비쌌다. 합성들을 향하던 시장이 산업용 다이어먼드들로 돌아섰다. 2차 세계대전의 전화에서 최근에서야 벗어난 세계는 북미뿐만 아니라 구라파와 Asia에서도 경제를 팽창시켜 왔다. 공장들과 산업계의 재구축은 연마공구들에 대한 수요가 엄청나게 증가한다는 것을 의미하는데, 연마재로서 다이어먼드들만큼 좋은 것은 없었다.

2천 년이상 이전의 초기의 인도 절단연마가들은 다이어먼드들만이 그들의 다른 다이어먼드 보석들을 절단하거나 형상을 낼 수 있다고 단정했다. 다른 많은 일들에는 금강사(emery)라고 하는 홍옥(ruby)나 청옥(sapphire)의 연마입자(grit)가 잘된다. 2차 세계대전의 생산수요는 산업계 전반에 걸쳐서 수 많은 공장들을 증설시켰는데, 경질재료들의 절단(cutting), 톱질(sawing), 연마와 광택을 위한 다이어먼드의 폭발적인 수요를 야기했다.

Namibia에 있는 것들을 제외한 모든 다이어먼드 광산들은 보석들보다 산업용 등급의 다이어먼드들을 더 많이 생산하고 있다. 호주와 Zaire와 같은 지역들에서의 산업용 다이어먼드들의 비율이 높아지고 있다. G.E., De Beers와 여러 나라에서의 그 밖의 것들에 의해서 성취된 합성 다이어먼드의 개발이라는 것은 산업용 다이어먼드의 사용이 많아질 때 적시에 신뢰성이 있고 비싸지 않은 출처를 제공하는 것이었다. 1980년까지 매년 소비되는 다이어먼드들의 절반이상이 공장에서 나왔지 땅에서 나오지 않았다. De Beers는 합성물에 있어서 G.E.의 최대 경쟁자가 되었다. 곧, 소련, 일본과 한국이 이 분야에 들어와서, 1990년대의 변화하는 과학기술뿐만 아니라 그들에게 도움이 되는 가치있는 경험을 얻었다.

합성 다이어먼드들은 여러 가지의 이익들을 제공했다. 그들은 생산하기가 비교적으로 빠르고 비싸지 않았다. 더욱 중요한 것은, 2차 세계대전동안 동맹국들을 괴롭혔던, 거대한 생산수요가 있을 때의 다이어먼드 공급의 감소에 대한 두려움을 없애 준 것이었다. 합성물들은 또한, 천연들보다 더 견실한 크기들과 형상들을 이용할 수 있어서, 공구들을 구체화하기가 더 쉽다. 일반인들은 산업용 다이어먼드들을 거의 보지 못하는 관계로, 그것들이 일반적으로 황색이며 내포물이 있다는 사실은 대수롭지 않는 일이다. 산업계가 특수 형(die)들, 절단공구들과 유전굴착용 드릴비트(drill bit)용으로 보다 많은 다이어먼드들을 필요로 할 때를 제외하고, 연마관련 일들의 대부분을 천연에서 합성으로 전환하였다.

아주 작은(pennies) 다이어먼드들이 그 결과이었다. 합성의 생산량이 증가하자, 사람들은 산업용으로 새로운 수요를 찾았다. 치과의사들은 모든 강철에서 끝 단에 다이어먼드가 붙은 일회용 드릴(drill)로 이동했는데, 이것은 더 열이 없고, 더 빠르며, 더 안전하고 그리고 환자들에게 더 편안하다. 완벽한 광택이 요구되는 거의 모든 것 - 피스톤 링, 광학렌즈(optics), 콘택트렌즈(contact lens), 안경알, 정밀공구 - 을 합성물로 할 수 있다. 게다가, 고속도로에 홈을 파기, 건축물과 장식용 돌들을 절단하기 그리고 다른 보석원석들을 패시팅(faceting)하기같은 간단한 일들은 합성 다이어먼드들로 더 빠르고 더 비싸지 않게 할 수 있었다. 이러한 초기 일들의 대부분은 다이어먼드의 경도(hardness)를 활용하는 것이었다.

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천연 다이어먼드들은 일반적으로 유전 시추(맞은 편)와 같은 커다란 연마작업들을 수행한다. 합성 다이어먼드들은 홈을 낸 고속도로들과 같이 아주 쉽게 이빨자국을 낼 수 있다(맞은 편). 보석품질의 다이어먼드들(좌측)을 처음으로 만들었지만, GE는 결코 그것들을 팔지 않았다. Chatham Created Gems는 단결정 합성들을 보석으로 판매하기 위하여 Russia와 계약을 했었다. Russia의 결정들은 즉시 연마가공할 수 있도록 거의 완벽한 예비성형을 갖추고 노(furnace)들에서 나온다(상부).

그 밖의 우수한 다이어먼드의 성질들은 첨단기술 열처리와 광학적인 적용에 최적이다. 다이어먼드만큼 열을 빠르게 또는 같은 정도로 전달하는 것은 없다. 그리고 다이어먼드는 1000℃부근의 온도에서도 안정적이다. 기술자들은 절대온도 0 (zero)부근에서 신뢰성이 있는 작동을 하면서 각각의 별들에서 발생하는 거의 탐지할 수 없는 양의 열을 측정하는 위성망원경들에서 움직일 수 있는 다이어먼드 온도계들을 생산해왔다.

전자부품들의 크기가 작아지고 동력이 커지면서, 민감한 부위들로부터 열을 이동시키는 것이 최우선이 되었다. 초기 통신위성들은 작은 트랜지스터(transistor)들을 냉각하기 위하여 초소형(microscopic)의 다이어먼드 입방체들을 활용했다. 열을 효과적으로 이동시키는 이 능력은 아직 다른 새로운 다이어먼드 사업에서 핵심요소이다.

또다른, 매우 가치있는 특성으로 인해서 다이어먼드들을 모든 연구재료들 중에서 가장 흥분되는 것 중의 하나가 되게 하고 있다. 다이어먼드는 사실상 모든 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum)을 간섭(interference)없이 통과한다. 많은 물질들이 가시광선에 투명하다; 유리, 석영(quartz), 무색 청옥(sapphire), 등등. 그러나, 가시광선은 스펙트럼에서 아주 얇은 대역이다. 이것은 민감한 기구들을 덮고 있는 창(window)들을 다양한 임계파장(critical wavelength)들 속에 두고 부적당한 환경에서 깨끗하고 닳지 않도록 유지하고자 할 때, 다이어먼드들이 논리적인 선택이 된다는 것을 의미한다. 누가 그런 창들을 필요로 하냐고요? 주로 산업, 군대, 우주국들이다. 예를 들면, 항공기나 탱크(tank)가 방문자가 아군인지 적군인지를 판단해야 할 때, 감지장치들에 의지한다. 낮은 고도의 사막환경을 통과하는 유도탄에게 그 표적을 찾기 위해서는 열 또는 전자파들을 필요로 할 것이다. 모든 경우들에 있어서, 작은 양의 정보라도 방해받지 않고 창을 통과하여 감지기로 들어가야 한다. 선택된 창이 다이어먼드이다.

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완벽한 섬사(filament) 직경들은 달구어진 다소 큰 크기의 선을 다이어먼드 인발대를 통하여 잡아당길 때의 결과이다(상부). 정확한 형상의 결정으로 세계에서 가장 예리한 안과 수술용 칼(좌측)을 만드는데, 반복사용한 뒤에도 다이어먼드의 단단한 모서리는 그대로 유지된다. 아주 작은 내부의 다이어먼드 결정들(우측)이 민감한 인공위성 전자부품들로부터 열을 방출한다.

최근까지, 창들, 온도계들 그리고 탈열제들에 사용할 만큼 충분한 다이어먼드들은 천연이었으며 상대적으로 비싸다. 1960년대에 미국에서 시작하여 1980년대에 왕성해진 약진하는 과학기술은 1990년대에 창, 공구와 열처리산업계에 혁명적인 토대가 될 것임을 약속한다. G.E., 일본의 Sumitomo, De Beers 그리고 소련인들로부터 초기의 다이어먼드 합성은 단결정 다이어먼드들을 성장시키기 위하여 고온과 고압을 사용했다. 이제 모든 눈들과 엄청난 연구비가 새로운 저압기법인 화학 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 있어서, 거의 모든 것들을 다이어먼드들로 도포(coating)하게 될 것임을 약속한다. 메테인(methane) 또는 어세털린(acetylene) 기체는 일반적으로 탄소(carbon) 출처를 제공한다. 기체혼합이 적당하고 화염(또는 그 밖의 열원)의 온도와 용기가 균형을 이룰 때, 초소형 결정들이 대상물 위에 흩어져 다이어먼드 막(film)으로 대상물을 도포한다.

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돌의 절단에는 엄청난 양의 산업용 다이어먼드들을 소모한다. 원형, 회전 또는 선형 톱들을 사용하여 작업자들이 장식과 건설에 사용할 수 있도록 판 또는 토막을 추출해 낸다. Canada Ogden산의 Kirk Makepeace는 세계에서 가장 큰 옥 광산에서 커다란 바위덩어리들을 얇은 판으로 만들고 있다(상부). 다이어먼드들의 뛰어난 열 전도율을 활용한 다이어먼드 박판(우측)은 개별항성들의 온도들을 측정하는 천체 망원경의 접안경으로 최적이다.

가장 일찍이 시도되었던 상업적인 품목들 중의 두 가지가 수명이 긴 날을 지닌 면도날들과 보기에는 구매자들을 바보스럽게 만들 수 있는 패시트된 큐빅 저코니아(cubic zirconia)(모조 다이어먼드)이었다. 이 거의 알려지지 않은 CVD산업은 Sumitomo의 년간 4 억불 합성 다이어먼드 판매의 대부분을 이미 차지할 정도로 빠르게 번창하였다.

CVD 다이어먼드들은 De Beers, G.E., Norton, Raytheon, Crystallume, Diamonex, Sumitomo와 약 200 개의 회사들과 그의 60년대의 꿈이 현실화된 것을 지켜 본 Case Western Reserve University에 있는 CVD 개척자 John Angus를 포함한 교육기관의 연구자들에 의해서 만들어진다. 사업은 3 개의 영역들로 나누어지는 것같다: 보다 단단하게 하기 위한 절단공구들의 도포, 큰 투명한 창 만들기 그리고 열 처리. 아직 "수요를 찾는 제품" 단계에 있는 CVD는 창조자의 상상력만큼 널리 열려있다.

단단하게 하기 위한 도포는 확실히 첫 단계이었다. 드릴비트들과 산업용 다이어먼드들을 한때 사용했었을 그 밖의 모든 품목들은 평가를 받고 있는 중이다. 선글래스(sunglass)계통은 긁힘방지 렌즈들을 활성화시켰지만 도포는 다이어먼드같은 것으로 다이어먼드는 아니다. 선형(wire die)들과 절단공구들은 이미 사용 중이다. 첨단-과 일반기술 공구들은 모두 잠재력이 있는 제품들이다. 다른 용도들을 생각한다면, 긁힘방지, 녹방지의 다이어먼드 도포 자동차를 상상할 수 있다.

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화학증착(CVD)는 최신의 합성기술로 다이어먼드의 가장 유용한 여러 가지의 특성들인 경도, 파장 투명도, 열 전도율과 기계마모와 화학부식에 대한 저항을 이용한다. 저압의 플래즈머(plasma) 반응로들에서 창조되는 다이어먼드들의 얇은 층들은 매일 품목들을 도포하여 그것들로 하여금 다이어먼드 경도를 갖게 만든다(맞은 편, 먼 우측). 크고 투명한 창들(맞은 편, 상부)은 극히 중요한 방어물, 우주와 산업용 감지기에 응용되고 있다. 새로운 다이어먼드 진공증착 회로기판들은 심지어 컴퓨터 칩들도 냉각한다(맞은 편, 하부). 강하고 딱딱한 다이어먼드 관들(하부)은 고온, 또는 위험기체 또는 액체들을 안전하게 이송하기 위하여 어떤 형상의 텅스턴(tungsten) 코일(coil)에 아주 작은 다이어먼드 결정들을 증착시켜 만들었다.

회사들은 이미 전에 없던 크기인 직경 5 인치이상의 다이어먼드 창들을 만들고 있다. 이것은 보석으로서는 아직 적당하지 않은 복결정질(polycrystalline) 물질이다. 첫 번째 금성 우주탐사 창은 넓고 비싼 얇은 천연 단결정 다이어먼드 조각이었다. 미래의 창들은 다이어먼드 CVD에서 나올 것이 확실하다.

열은 전자부품들의 적이다. 컴퓨터 칩(chip)들은 그들이 내는 열을 제거할 수 있다면 거의 초소형으로 수퍼컴퓨터의 속도를 낼 수 있다. CVD 다이어먼드 도포는 손상받지 않고 열을 전달할 수 있다. 한 연구자는 다이어먼드로 완전도포된 4 인치(inch)의 컴퓨터가 Cray(역주: Cray Research사의 수퍼컴퓨터)보다 빠르게 돌아갈 것이라고 예언했다. 당분간, 하나의 컴퓨터 칩이 얇은 CVD 다이어먼드 판에 놓여진다. 고온고압 단결정 성장에서의 미래의 발전에 대한 합법적인 보석거래를 걱정하고 있다. Russia는 보석품질의 합성 다이어먼드들의 주요 생산국가가 되었다. 비록 대부분의 결정들이 아직도 황색이지만, Russia는 중개업자들이 걱정할 만큼 거의 무색의 다이어먼드들을 충분히 성장시키고 있다. 패시트된 작은 제품들이 천연 다이어먼드들의 꾸러미들에 섞여 들어가면, Russia의 합성들은 구매자들이 알아내기 어렵다.