다이아몬드(Diamond) 물성 및 특성

다이아몬드(영어: diamond) 또는 금강석(金剛石)은 천연광물중 굳기가 가장 높으며 우수하며 광채도 뛰어난 광물(보석)이다. 다이아몬드는 탄소원자의 고체로 다이아몬드 입방체(Diamond cubic)로 불리는 결정구조로 된 광물이다. 다이아몬드는 천연 광물 중 가장 높은 경도와 열전도율을 가지고 있어 절단/연마 도구 등 주요한 산업 응용 분야에 이용된다.

대부분의 천연다이아몬드는 지구멘틀에서 5~150 km 깊이에서 생성된 것으로 여겨지며, 화산폭발 등으로 지표면으로 분출되어 킴벌라이트(kimberlites)와 람프로이트(lamproites) 등의 화성암에 주로 퇴적되어 존재한다.

다이아몬드는 순수한 탄소의 고체 형태이며, 흑연과 동소체이다. 다이아몬드의 결정구조는 단위부피당 원자 수가 가장 많기 때문에 상당히 단단하다. 비중은 약 3.5 g/㎤이며, 흑연/다이아몬드/액체의 삼중점은 1 K에서 7.0 GPa, 12 K에서 5000 GPa이다. 상온상압에서 탄소의 안정한 상은 흑연이며, 다이아몬드는 준안정적인 상이지만 흑연으로의 전환율은 무시할 수 있는 수준이다. 그러나 4500 K 이상의 온도에서 다이아몬드는 흑연으로 빠르게 전환될 수 있다. 흑연을 다이아몬드는 변환시키기 위해서는 높은 압력이 필요하다. 초고압과 초고온에서 다이아몬드는 액체가 될수도 있다.

그림. 다이아몬드 결정구조(출처 : www.wikipedia.org)

다이아몬드는 비커스경도와 모스경도는 자연광물 중 가장 높은 것으로 알려져 있으나 다른 다이아몬드에 의해 긁힐 수 있으며 부드러운 재료에 의한 지속적인 접촉으로 마모될 수도 있다.

다이아몬드의 경도는 순도, 결정질의 완전성, 방향에 따라 달라지나 <111>방향(입방 다이아몬드 격자의 대각선 방향)에의 경도는 상당히 높다.

다이아몬드의 인성(Toughness)는 7.5~10 MPam1/2로 세라믹 중에서는 높은 편이나 엔지니어링 합금 혹은 다른 엔지니어링 금속에 비해 높지 않은 편이다. 또한 다이아몬드는 결정구조이므로 일부 방향에 대해 쪼개짐이 있다.

다이아몬드의 압축 항복 강도는 130~140 GPa이며, 다이아몬드 결정을 변형시키려고 하면 취성 파괴가 발생할 수 있다. 다이아몬드는 우수한 전기 절연체이나, 블루 다이아몬드와 같이 불순물이 포함된 일부 다이아몬드는 반도체로서 작용할 수도 있다.

다이아몬드는 기본적으로 친유성이고 소수성이다. 다이아몬드의 친유성은 합성 다이아몬드 제작 등의 공정에서 추출 등에 사용되기도 한다.

실온에서 다이아몬드는 강산, 강염기를 포함한 화학 시약과 반응하지 않는다. 그러나 순수한 산소 분위기에서 다이아몬드의 발화점은 690 ℃에서 840 ℃ 사이이다.

순수한 다이아몬드는 5.225 eV의 넓은 밴드갭을 가지고 있는 투명한 무색 결정 재료이다. 그러나 질소 등의 불순물이 함유될 경우 노란색, 혹은 갈색을 띌 수 있으며, 붕소가 함유될 경우 파란색이 될수도 있다. 다이아몬드 결정 격자의 변경(deformation)에 따라 색상이 띌 수도 있다. 다이아몬드의 열전도율은 900 ~ 2320 Wm-1K-1으로 상당히 높은 편이며, 굴절률은 약 2.4이다. 다이아몬드는 백색광을 무지개 형태의 스펙트럼 색상으로 분산시키는 보석으로서의 특징을 가지고 있다.

채굴된 다이아몬드 원석은 절단공정(cutting)을 통해 보석으로 가공되는데, 다이아몬드는 단단하지만, 부서지기 쉬우며 한 번의 타격으로 쪼개질 수 있다. 따라서 다이아몬드의 가공은 매우 섬세한 절차이며, 절단시 중량감소도 보석으로서의 가치를 결정하는 중요한 요소이다. 다이아몬드의 쪼개지는 방향은 결정 방향에 중요하기 때문에 X선 회절(X-ray diffraction) 등을 사용하여 가공 전 다이아몬드의 결정학적 구조를 분석하기도 한다. 또한 다이아몬드는 결정구조의 결함과 불순물이 있기 때문에 보석가공에 있어 이 또한 매우 중요한 절차이다.

다이아몬드는 여러단계의 연마를 거쳐 보석으로 가공된다.

천연다이아몬드의 상당수는 보석으로 부적합하기 때문에 산업용으로 사용되는 경우도 많으며, 합성에 의해서도 많이 생산된다. 다이아몬드는 매년 26,000 kg이 채굴되는 것으로 알려져 있으며, 100,000 kg 정도가 합성되는 것으로 알려져 있다. 전 세계 다이아몬드의 49 %는 중부 및 남부 아프리카에서 생산되며 캐나다, 인도, 러시아, 브라질, 오스트레일리아 등에서도 많이 생산된다.

그림. 다양한 다이아몬드