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대형 다이아몬드의 제조

전문가 제언: ○ 다이아몬드는 탄소 동소체의 하나이다. 흔하게 볼 수 있는 탄소동소체는 흑연, 코크스, 숯을 들 수 있다. 다이아몬드는 이들 탄소 동소체 가운데서 흑연에서 만들어진다. 공기를 차단한 가운데서 다이아몬드를 가열하면 서서히 흑연으로 전환하다가 1,500℃ 근처에서 빠른 속도로 다이아몬드가 흑연으로 변하는 현상이 나타난다.

○ 흑연에서 다이아몬드로의 역반응현상이 발견(1953)되어, 지금의 합성다이아몬드가 생산 공장에서 대량 만들어지게 되었다. 다이아몬드는 높은 압력에서 안전한 구조로 전환한다. 300°K, 15,000기압에서 흑연과 다이아몬드가 공존하는 평형상태가 이루어진다. 그래서 다이아몬드 제조에는 고압을 필요로 한다. 다이아몬드 형성은 압력의 함수이다.

○ 흑연은 층상구조(sp2-혼성)를 하고 있다. 흑연의 층간 거리는 약 4.40Å, 다이아몬드(sp3-혼성)의 두 탄소 간의 거리는 약 3.08Å이다. 흑연에 높은 압력을 가하면 탄소 간의 거리가 좁혀져서 다이아몬드가 형성된다. 지각에서 흑연이 존재하는 곳에서 다이아몬드가 발견된다. 지각변동에서 다이아몬드 생성조건이 수십만 년간 계속되어 얻은 것이 천연보석이다.

○ 산업용 다이아몬드는 높은 온도(1,500℃ 이상), 높은 압력(15,000기압)에서 흑연과 섞인 분말 결정입자로 얻어진다. 반응은 순간적으로 일어난다. 흑연과 분리하여 연마제, 드릴, 절삭공구 소결체로 유용하게 쓰인다. 특허에서는 장식용 다이아몬드를 만드는 보석(즉 다이아몬드)의 제조방법을 제시한다. 장식용 다이아몬드는 일정한 크기 이상을 필요로 한다.

○ 동식물과 마찬가지로 결정체에도 성장이 잘 일어나는 부분과 성장이 느린 부분이 있다. 성장이 빠른 결정종자 면을 자유 공간에 노출하여 기판에 올려놓고 거기에 성장 원료물질(nutrient; 흑연, 또는 다이아몬드)을 채워서 1,260~1,600℃, 압력 5~6GPa에서 보석용 크기로 성장할 때 까지 충분한 성장 시간을 부여한 것이 이 특허의 특징이다.

저자: Dodge, Carlton, et al.
자료유형: 특허정보