C.V.D(Chemical Vapor Depodition)-화학증기 침착(沈着)법

CVD 합성다이아몬드는 십 수 년 전부터 각종 산업용 장비에 다이아몬드 코팅을 하던 장비로 출발해, 지금은 코팅의 두께를 벗어나는 2mm이상의 합성다이아몬드 침착에 성공함으로서 기존 다이아몬드 업계의 스포트라이트를 집중적으로 받고 있습니다. 국내에는 아직까지 이러한 CVD 합성다이아몬드가 수입되고 있지 않고, 감별 연구도 진행된 바 없지만 세계적인 보석감정원들은 CVD 합성 다이아몬드 감별이 그리 어렵지 않다고 말하고 있습니다.
하지만 내포물이 전혀 없는 고 순도의 CVD 합성다이아몬드가 라운드 브릴리언트로 연마되어 판매가 시작된다면 향후 다이아몬드 시장에 어떠한 후 폭풍을 몰고 올지 모를 일입니다.

1. C.V.D 합성 다이아몬드란?

고순도 보석용 등급의 CVD 합성 다이아몬드들. 0.44ct의 D/SI1 로즈컷 다이아몬드(①)와, 0.82ct E/VVS1 라운드 브릴리언트 컷(②), 0.85ct 핑크프라운/VVS1 다이아몬드(③)

C.V.D(Chemical Vapor Deposition. 이하 CVD)라는 용어는 말 그대로 화학 증기 침착(沈着)법을 이용한 합성 다이아몬드 제조법을 뜻한다.
이는 탄소원자를 기체상태로 만들어 진공상태에서 침착시키는 것으로 진공상태의 공간에 탄소증기를 넣고 열을 가하여 플라즈마 분위기를 만들어주면, 탄소 구름이 다이아몬드 원자를 비처럼 뿌려 다이아몬드로 성장하게 되는 것이다.
기존 고온고압(HPHT) 합성다이아몬드 제조시보다 낮은 압력에서 메탄, 아세틸렌, 일산화탄소, 메틸알콜, 에틸알콜, 아세톤 등의 탄소원자를 함유하고 있는 화합물을 수소로 희석한 혼합가스가 사용되며 이런 혼합가스를 열 또는 전자로 분해 여과함에 따라 여러 활성 가스가 생성되어 플라즈마 상태를 이루고, 이것이 침착되어 다이아몬드를 박막(薄膜) 형태로 합성해 내는 것이다.

2. C.V.D 합성 다이아몬드 제조의 현시점

세계적으로 CVD 합성다이아몬드 제조에 가장 앞서고 있는 곳은 미국의 아폴로사와 카네기 연구소인 것으로 알려지고 있다. 국내에도 과거 KIST를 중심으로 합성 다이아몬드 박막 필름(코팅)등에 대한 개 발 연구 성과가 발표되기도 했지만 지금은 그 연구가 중단된 상태다. 하지만 미국을 비롯해 일본과 중 국, 대만에서는 그 연구가 상당히 진척되고 있으며 일본에서는 CVD 장비를 만들어 파는 회사도 여러 곳이다.
이 다이아몬드는 당시 보석으로 사용되기에는 너무 얇아 부적합했기 때문에 전자, 광학 등 산업용으로 만 사용되어졌다. 하지만 최근 CVD 기술로 개발된 합성다이아몬드는 보석으로 사용가능한 2mm 두께 를 초과했다.
상업적 CVD합성다이아몬드 생산에 가장 앞선 곳으로는 미국의 아폴로사가 있으며, 이미 98년에 두께 0.5mm 의 CVD합성다이아몬드를 생산한 바 있고, 보석용 CVD합성다이아몬드를 곧 생산하여 판매에 들어갈 것이라고 알려지고 있다.

CVD합성다이아몬드가 코팅된 각종 웨이퍼와 산업용 장비들		워싱턴카네기 연구소에서 성장을 더욱 빨리 하기위해 사용한 종자(SEED) 다이아몬드(중앙)와 매우 빠른(~ 150μm/hr) 속도로 성장시킨 단결정CVD 다이아몬드(좌, 우)

이러한 CVD합성다이아몬드가 개발된 것은 이미 과거형이지만 현재의 과학기술은 과거 2mm두께를 넘을 수 없었던 CVD합성 다이아몬드의 두께를 획기적으로 늘렸고, 최근 보도자료에 의하면 미국 카네기 연구소의 연구 성과가 발표되어 세계를 놀라게 하고 있다.
바로 그 성장 속도와 성장 두께를 획기적으로 발전시킨 것이 그것인데, 과거 시간당 100마이크로 미터였던 성장속도를 시간당 1mm로 늘렸다는 것이다.

3. C.V.D 합성 다이아몬드의 특성

CVD 합성다이아몬드는 천연 다이아몬드 Type IIa 와 비슷한 특성을 가지고 있어 합성 후 고온고압 (HPHT)처리를 하게 되면 천연과 마찬가지로 그 색상의 변화까지도 기대할 수 있다는 특성이 있는 것으로 밝혀지고 있다.
특히 지금까지는 다결정질(Polycrystalline) 박막 형태로 CVD 합성다이아몬드를 합성시켜 왔지만 아폴로 다이아몬드사 에서는 다결정질이 아닌 단결정(Single crystal)을 합성함으로서 보다 향상된 보석용 품질의 합성 다이아몬드를 발표하게 된 것이다.

주사전자현미경 (SEM:scanning electron microscope)으로 촬영한 CVD 합성다이아몬드 마이크로웨이브 플라즈마 (Micro wave Plasma)로 성장시킨 것으로 일정하게 배열된 카본 나노튜브(Carbon Nanotube)가 관찰된다.		마이크로웨이브 플라즈마(Micro wave Plasma)로 성장시킨 실리콘 카보나이트 결정들

이러한 CVD합성다이아몬드가 개발된 것은 이미 과거형이지만 현재의 과학기술은 과거 2mm두께를 넘을 수 없었던 CVD합성 다이아몬드의 두께를 획기적으로 늘렸고, 최근 보도자료에 의하면 미국 카네기 연구소의 연구 성과가 발표되어 세계를 놀라게 하고 있다.
바로 그 성장 속도와 성장 두께를 획기적으로 발전시킨 것이 그것인데, 과거 시간당 100마이크로 미터였던 성장속도를 시간당 1mm로 늘렸다는 것이다.

4. C.V.D 합성 다이아몬드 생산장비

마이크로파 플라즈마법 장비들. 마이크로파 발진기에 2.45 GHz의 마이크로파를 통해 가스 중에 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마중에 놓인 스테이지위에 다이아몬드를 합성하는 장비. 왼쪽장비는 실험실 연구용이며 오른쪽은 상업용 CVD 합성 다이아몬드를 생산하는 장비.

5. 다양한 단결정 C.V.D 합성 다이아몬드들

미국 Carnegie연구소에서 고속성장(high-growth) 생산한 다양한 단결정 CVD 합성다이아몬드들.

아래쪽의 4 x 4 x 1.5 mm³ 사이즈의 육면체 결정(①). 위에 성장시킨 단결정 다이아몬드 블록(②)	고속성장시킨 10캐럿 CVD 합성다이아몬드로부터 레이저 컷팅된 12 mm (1/2 inch) 5캐럿 사이즈의 CVD 합성다이아몬드.