다이아몬드

[김영해(성북석관)]

다이아몬드는 우리들이 왜 선호할까요? 아마도 영원히 색깔과 광택이 변하지 않으며 그대로의 모습을 가지고 있으며 순결의 상징인 하얀색을 띠고 또한 아주 희귀하기 때문일 것입니다.

우리 모두는 영생, 청춘을 꿈꾸고 있지만 이 세상에서는 불가능한 것을 잘 알기 때문에 저 세상에서의 영생을 염원하며 영원히 변하지 않는 보석 특히 희귀한 다이아몬드를 선호하는 것입니다. 흰색은 예로부터 순결의 상징이었습니다. 순결한 신부가 결혼식장에 입는 옷도 당연히 흰 옷이고 백의의 천사라는 말에서 알 수 있듯이 간호사들도 하얀 가운을 입습니다. 이런 이유에서이겠지만 의사, 이발사, 미용사들도 하얀 기운을 착용합니다. 나와 같은 과학기술자 특히 화학 생물 계통 과학자들이 왜 하얀 가운을 입는지는 모르겠지만. 필자는 거의 가운을 입지 않습니다. 이제는 전공인 분광학 실험보다는 다른 일에 더 매달기도 하지만 필요를 못 느끼기 때문에 귀찮고 쉽게 더러워지는 가운을 멀리 한지가 상당히 오래됩니다. 상징적으로 가끔 제자들 앞에서는 아껴두었던 새 가운을 입고 강의하기도 하지만.

이야기가 옆으로 새버렸는데 다시 돌아와서 계속합시다.

다이아몬드는 탄소원자가 사면체 구조로 결합하여 만들어진 그물상 구조를 가진 고체이며 경도가 10으로 제일 큰 특징을 가지고 있습니다. 어떻게 하여 다이아몬드가 만들어졌는지는 잘 모르겠지만 오랜 시간동안 고온 고압 등의 특수한 조건에서 생명체가 탄화되는 과정에서 생성되었을 것입니다. 당연히 석탄, 석유, 숯, 흑연 등보다 아주 더 희귀할 것입니다. 한마디로 말하면 하나님이 내린 선물이라고나 할까요?

다음은 이미 작성한 다른 글에서 인용한 것입니다.

보석으로의 용도가 일반인들에게는 가장 중요하지만 경도가 가장 크다는 사실을 이용한 공업적 이용도 활발하다. 이런 저런 이유로 수요가 늘고 있지만

산출량이 뒷받침하지 못하니 당연히 인공적으로 다이아몬드를 만들려는 필요가 충분하다.

흑연에서 제조하는 방법

실제로 1890년대부터 아주 흔한 탄소의 동소체인 흑연에서 다이아몬드를 만들려는 노력이 이루어지고 있다. 이 방법의 난점은 열역학적으로 흑연이 상온, 상압에서 가장 안정하다는 것이다. 다이아몬드는 흔히 영원하다고 믿어지고 있지만 단지 흑연으로 변환되는 과정이 아주 느리기 때문인 것에 불과하다. 순수한 다이아몬드는 아주 높은 압력과 온도에서도 아주 소량만 생산되며 고온 고압에서 견딜 수 있는 용기 제작 등의 난제들이 예상된다.

그럼에도 불구하고 합성 다이아몬드가 고온/고압에서 제조되었다. 1953년에 스웨덴의 Allmänna Svenska Eletriska Aktiebolaget (ASEA)에서 처음으로 만들었으며 두 번째는 미국의 제너럴 일렉트릭 (General Electric)에서 제조되었다. 지금은 매년 전 세계에서 40메트릭 톤 정도가 합성되고 있다. (이 양은 천연 다이아몬드의 약 5배이다.) 용융된 전이금속 (니켈, 코발트, 망가니즈, 크로뮴 이나 탄탈륨)이 용매 겸 촉매로 사용되고 있다. 이렇게 만들어진 다이아몬드는 흑연이 포함되어 있기 때문에 검은 색을 띄며 윤내는 용도에 적합하다. 보석 질 (gem quality)의 다이아몬드는 Sumitomo Electric에서 만들어지며 작은 전자제품의 heat sink로 사용된다. 그 이유는 다이아몬드의 질소 불순물 함량이 Sumitomo 제품처럼 아주 낮으면 25℃에서의 열전도도가 은의 약 5배 정도까지 극히 높기 때문이다. 다이아몬드 격자에 질소가 약간 들어가면 노란색을 띄게 되며 붕소가 들어가면 파랗게 보이고 반도체 성질을 가지게 된다. 그러므로 붕소가 도핑된 다이아몬드는 고출력, 고주파의 전자 장비에 응용될 수 있다.

화학적 기상 퇴적(chemical vapor deposition, CVD) 에 의한 제조

고온/고압 법에는 아주 높은 압력이 필요하므로 저압에서 메테인 등을 열분해하여 적절한 판에 다이아몬드의 얇은 막을 입히는 방법이 의아하게 생각될 것이다. 열쇠는 수소 기체가 존재하면 흑연의 생성이 방해된다는 점이다. 흑연은 다이아몬드보다 아주 빠르게 수소 기체와 반응하여 판에 입혀지면 바로 제거된다. 그 사이에 탄소가 다이아몬드의 모양으로 판에 입혀진다. 한 예로 5 kPa의 수소와 1%의 메테인의 혼합물이 2200℃에서 철사를 통과할 때 생성된 수소와 탄소가 가열된 철사에 부딪혀 다이아몬드 막이 만들어진다.

이 방법 대신 유도된 마이크로웨이브에 의하여 판의 표면에서 만들어진 수소와 탄소의 플라즈마가 판과 반응하게 하여 다이아몬드를 입힐 수 있다. 판은 규소 유리 등의 절연체, 구리 등의 금속, 카보런덤 (SiC) 등의 경도가 큰 물질 등등이며 입혀진 다이아몬드는 전자 기구에 필요한 반도체 성질이나 heat sink로 사용될 수 있게 높은 열전도도 또는 (다이아몬드가 입혀진 고음 재생 스피커 막의 경우처럼) 고주파 음향효과를 가지기도 한다.

플라즈마 법을 이용하여 우리나라의 KIST (Korea Institute of Science and Technology, 한국 과학 기술 연구소)에서 1997년 8월 28일에 넓은 면적에 두꺼운 다이아몬드 막을 입히는 기술을 개발했다고 발표했다. 이 장치를 이용하면 각종 산업용 장비의 표면에 다이아몬드를 1mm 두께까지 코팅, 강도를 높임으로써 반영구적으로 사용할 수 있게 된다. 다이아몬드로 보강된 안경, 식칼, 수저 등이 개발되면 안 깨어지고 무디어지지 않고 처음의 모습을 간직할 수 있으니 가격이 비싸더라도 많이 팔릴 것이다.

최근에는 연구자들이 다이아몬드 막의 표면에 플루오린을 씌우는 방법을 찾고 있다. 플루오린이 씌워진 막의 표면은 매우 낮은 마찰계수를 가질 것으로 예상되므로 마찰이 작아야하는 도구에 사용될 수 있다. 플루오린 원소를 직접 씌우기는 불가능하지만 다이아몬드의 표면에 흡수된 아이오딘화 플루오르화알킬을 빛으로 분해하여 씌우는 방법은 가능해 보인다.

만약에 이러한 인공적인 방법으로 다이아몬드를 대량으로 제조하여 다이아몬드가 흔히 볼 수 있다면 보석으로의 가치는 사라지겠지요. 그리고 우리는 영원불변한 것에 좀 더 익숙해질지도 모릅니다. 그러나 다행인지 불행이지는 알 수 없지만 다이아몬드가 흔해빠지는 일은 결코 일어나지 않을 것입니다. 다이아몬드는 우리가 이 세상에서 육신을 가지고 도달할 수 없는 영원의 세계에 속한 것으로 계속 남을 것입니다.