HPHT(High Pressure High Temperature) 합성 다이아몬드-고압고열(高壓高熱)

고압고열 방법은 천연 다이아몬드가 형성되는 과정을 재연한 것으로 1 평방 인치당 약 8만5천 파운드의 압력과 섭씨 천6백 도의 열을 가한 상태에서 씨앗 다이아몬드에다 탄소를 압착한다. 이러한 고압고온 과정과 설비들은 오래 전 발명되어 공업용 다이아몬드를 생산해 왔다. 또한 GE 사 계열 라자르 카플란사는 이러한 방법을 응용, 천연 다이아몬드의 분자 구성을 바꿈으로써 다이아몬드의 칼라를 개선 하는데 성공하기도 했다. 최근 Gemesis 사는 캐럿 대 이상의 보석용 고압고온 다이아몬드, 특히 팬시 옐로우 칼라 다이아몬드를 대규모로 생산하고 있다.

1. HPHT 합성 다이아몬드란?

HPHT 합성 다이아몬드들

이 기술에서 일반적으로 다이아몬드의 성장 조건은 5.0~6.5 GPa의 압력과 섭씨 1,350~1,800도의 열이다. 다양한 형태의 프레스, 큐빅, 벨트, BARS 등이 여기에 필요한 압력을 조성하기 위해 사용된다. 그래파이트 도가니 안에 탄소의 공급을 위한 그래파이트 디스크와 다이아몬드 씨드 크리스탈을 윗부분에 장착하며 아랫 부분에는 일반적으로 니켈-코발트로 만들어진 금속 디스크를 넣는다. 이러한 조합은 녹은 금속 디스크의 윗부분의 온도을 아랫 부분보다 높게 유지하기 위해 특별히 디자인 된 것이다.
다이아몬드의 성장의 원리는 녹은 금속 디스크 내의 안정된 다이아몬드 상(相)의 용융점이 준안정 상태의 그래파이트의 용융점보다 낮다는 사실을 이용한 것이다. 기온 경도(temperature gradient) 또한 다이아몬드의 성장을 도와주는 요소이다. 왜냐하면 그래파이트의 용융점은 온도가 낮아지면 같이 낮아지기 때문이다. 그 결과 더 많은 탄소 원자가 도가니 안의 더 뜨거운 부분에 위치한 탄소의 공급처로부터 녹아 나와 좀더 차가운 부분으로 이동하여 씨드 크리스탈 위에 응결하여 새로운 합성 다이아몬드 크리스탈을 형성한다.

2. HPHT 합성 다이아몬드 제조의 현시점

미국의 Gemesis, Chatham Created Gems, Lucent Diamond사 등이 주얼리 시장을 겨냥한 HPHT 합성 다이아몬드를 생산하고 있다. 최대 3.5 캐럿까지의 고품질 크리스탈과 1.5 캐럿까지의 연마된 스톤이 상업적으로 생산되고 있다.
알려진 HPHT 합성 다이아몬드 중 가장 큰 것은 드비어스의 과학자들이 연구 목적으로 1992년에 합성한 34.80 캐럿의 크리스탈이다.
HPHT 합성 다이아몬드는 무색, 블루, 그린, 옐로우, 옐로우-오렌지, 오렌지-옐로우 등이 생산되며 칼라 및 채도가 무척 다양하다.
합성 후 방사능 조사 혹은 방사능 조사 및 열처리를 통해 블루와 그린 뿐 아니라 아름다운 핑크~레드 칼라까지도 만들어 낼 수 있다.
그 결과 HPHT 합성 다이아몬드는 거의 대부분이 옐로우이기는 하지만 거의 모든 칼라가 생산 가능하다. 클래러티는 스톤마다 다르게 나타난다.
일부는 상대적으로 내포물이 없으나 내포물이 많은 것도 있다. 천연 다이아몬드 클래러티 등급을 기준으로 할 때는 VVS~I 등급까지 있다.

3. HPHT 합성 다이아몬드 결정형태

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• 출처 : GIA - Gems & Gemology,
  "HPHT - 성장 합성 다이아몬드의
  특징들에 대한 최근 챠트"

고온고압(HPHT)의 금속 플럭스에서 온도 조절로 성장되는 합성다이아몬드 결정은 특유의 결정 형태 (A1, A2, A3)를 갖고 있다.
이 결정들은 팔면체[111], 육면체[100], 십이면체[110], 면들이 결합한 큐브악타히드럴 형태이고, 가끔 다른 작은 결정면들(A4, A5, A6)을 보이기도 한다.
이와 대조적으로 천연 다이아몬드 결정들은 종종 성장이나 융해에 의해 변형된 전형적인 팔면체 형태를 보인다.
성장 조건에 따라, 합성 결정의 하나 또는 두 개의 표면들이 넓어질 수 있기 때문에, 그 결과로 합성 다이아몬드 결정의 주요 형태가 결정된다. 때때로 결정면들이 불규칙하게 성장해서 왼관이 비뚤어지고 비대칭적으로 될 수 있다. 합성 다이아몬드 결정은 일반적으로 평평한 면과 함게 날카로운 가장자리와 모서리를 가진다. 결정의 바닥은 성장을 처음 시작한 종자 결정이 위치한 곳(A7, A8, A9)으로 면이 잘려 평평하다. 결정의 전체적인 형태는 종자 결정의 성장 방향과 주어진 성장 조건에 의해 결정된다.
결정은 수일간 성장시키면 생산 할 수 있고, 한번에 여러개의 결정을 산출할 수 있다. 이것보다 더 큰 합성 다이아몬드로 성장시키기 위해서는 기간이 더 필요하지만, 성장 기간을 더 늘릴 경우, 육안으로 보이는 결함 또는 금속 인클루젼을 내포한 낮은 품질의 결정들이 생성될 수도 있다.

4. HPHT 합성 다이아몬드 성장특징

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• 출처 : GIA - Gems & Gemology,
  "HPHT - 성장 합성 다이아몬드의
  특징들에 대한 최근 챠트"

다이아몬드의 외부 결정면은 종자 결정의 위치(B3)를 다타내는 흔적(종종 정방형) 뿐만 아니라, 나뭇가지 모양, 줄무늬 또는 그 밖의 다른 형태(B1, B2)의 특징들을 보일 수 있다.
결정면 하부에는 내부 성장 구조 배열이 있다. 내부 성장 구조가 크면 외부 결정면도 커지며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 합성 다이아몬드를 수직으로 잘라보면, 바닥의 종자 결정에서 외부 결정면을 향해 위쪽과 바깥쪽으로 자라난 내부 성장 구조가 보일 것이다.
결정을 수평으로 잘라 보면, 내부 성장 구조는 다이아몬드의 큐빅 결정 대칭과 일치하는 십자형 배열을 종종 보이기도 한다.
이러한 성장 구조는 결정 성장 과정중 다른 양의 불순물(질소, 붕소 같은)들과 관련이 있다. 성장 구조 내의 이와 같은 불순물들의 차이는 내부 구조에서 종종 체색, 그레이닝 및 발광과 같은 시각적인 특징으로 나타난다. 칼라 조닝(B4, B5, B6, B7, B8)은 매우 선명하게 나타날 수 있다. 높은 채도와 낮은 채도 혹은 칼라리스 부분들은 날카로운 직선 또는 각진 경계로 나뉘어진다. 발광 패턴의 경우도 마찬가지이다. 직선 또는 평면의 그레이닝이 성장 구조 경계선을 따라 외부 결정면에 평행하게 또는 교차하는 일련의 밴드 형태(B9)로 나타날 수 있다.

5. HPHT 합성 다이아몬드 내포물

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• 출처 : GIA - Gems & Gemology,
  "HPHT - 성장 합성 다이아몬드의
  특징들에 대한 최근 챠트"

온도 변화 기술을 이용한 고온고압(HPHT)의 합성 다이아몬드 성장에는 용해된 금속 또는 다이아몬드 성장에는 용해된 금속 또는 금속 합금 플럭스가 용제 혹은 촉매로 사용된다. 전형적인 플럭스 금속은 철, 니켈, 코발트이며 다른 금속들은 사용하는 경우도 있다.
결정이 성장하는 과정에서 적은 양의 플럭스가 합성 다이아몬드 내부에 금속성 인클루젼(C1, C2, C3)으로 남을 수 있다. 인클루젼이 없는 결정을 만들기 위해서는 특별한 과정이 필요하다.
금속성 인클루젼은 전형적으로 둥글거나 길다랗거나 불규칙한 형태이며, 육안으로 보이는 것(C4, C6, 직경 1mm)부터 현미경으로만 관찰이 가능한 작은 것(C7, C8)까지 다양한 크기이다. 투과광에서는 불투명하게 보이고, 반사광에서는 메탈릭 광택을 갖는 그레이나 블랙으로 나타난다. 이 인클루젼들은, 성장 구조 경계를 따라 외부 결정면에 평행하게, 또는 불규칙하게, 단독 또는 그룹으로 있다.
금속성 인클루젼에 함유된 철 성분으로 인해 합성 다이아몬드는 자석에 끌릴 수도 있다(C5).어떤 합성 다이아몬드는 클라우드와 같은 형태의 핀포인트 인클루젼들(C9)을 보이기도 한다. 이러한 미세한 인클루젼들은 보통 감별되지 않았지만, 일부 과학적 연구로 이것들이 금속이나 금속합금, 금속-카본 혼합물 등이라고 건의된 바 있다.

6. HPHT 합성 다이아몬드 감별 포인트

미국의 Gemesis, Chatham Created Gems, Lucent Diamond사 등이 주얼리 시장을 겨냥한 HPHT 합성 다이아몬드를 생산하고 있다. 최대 3.5 캐럿까지의 고품질 크리스탈과 1.5 캐럿까지의 연마된 스톤이 상업적으로 생산되고 있다.
알려진 HPHT 합성 다이아몬드 중 가장 큰 것은 드비어스의 과학자들이 연구 목적으로 1992년에 합성한 34.80 캐럿의 크리스탈이다.
HPHT 합성 다이아몬드는 무색, 블루, 그린, 옐로우, 옐로우-오렌지, 오렌지-옐로우 등이 생산되며 칼라 및 채도가 무척 다양하다.
합성 후 방사능 조사 혹은 방사능 조사 및 열처리를 통해 블루와 그린 뿐 아니라 아름다운 핑크~레드 칼라까지도 만들어 낼 수 있다.
그 결과 HPHT 합성 다이아몬드는 거의 대부분이 옐로우이기는 하지만 거의 모든 칼라가 생산 가능하다. 클래러티는 스톤마다 다르게 나타난다.
일부는 상대적으로 내포물이 없으나 내포물이 많은 것도 있다. 천연 다이아몬드 클래러티 등급을 기준으로 할 때는 VVS~I 등급까지 있다.