[재료공학] 다이아몬드의 특성과 종류

다이아몬드의 특성과 종류

다이아몬드의 특성

 

다이아몬드(Diamond)는 자연에 존재하는 물질 중 가장 단단한 것으로 알려져 있습니다. 다이아몬드의 모스 경도는 '10'이고 사파이어는 '9'이지만 사실 다이아몬드는 사파이어보다 훨씬 더 단단합니다. 또한 다이아몬드는 압축률이 가장 낮은 물질이기도 합니다.

 

다이아몬드는 열전도도가 구리의 4배에 이를 정도로 매우 높고 열팽창계수는 극단적으로 낮으며 대부분의 산이나 염기와 반응하지 않아 화학적으로 안정한 물질입니다. 또한 자외선에서 원적외선 파장에 대해 투명하며 음의 일함수를 가지는 몇 안되는 물질 중 하나입니다. 이로 인해 다이아몬드는 물을 밀어내며 왁스와 같은 탄화수소는 받아들입니다.

 

 

다이아몬드(Diamond)와 흑연(Graphite)의 물성 비교표

 

다이아몬드의 열전도도는 높은데 반해, 전기적으로는 절연체이며 고온에서 산소의 존재 하에 연소될 수 있습니다. 다이아몬드의 아름다운 광채는 높은 굴절률로 인해 발생하는데 여러 투명한 물질 중 굴절률이 2.417로 가장 높습니다.

 

보석으로 가공된 다이아몬드

 

다이아몬드 원석은 일반적으로 투명하거나 옅은 파란색이지만 '팬시(fancies)'라고 불리는 컬러 다이아몬드는 거의 모든 색깔에 대해 발견되었습니다. 미량의 붕소나 질소가 다이아몬드에 포함되면 푸르스름하거나 노란 색을 띕니다.

 

천연 다이아몬드의 종류

 

천연 다이아몬드는 내부에 존재하는 불순물의 종류와 양으로 분류될 수 있습니다.

 

Type Ia

 

가장 일반적으로 볼 수 있는 천연 다이아몬드로, 최대 0.3%의 질소를 불순물로 함유하고 있습니다.

 

Type Ib

 

이 종류의 다이아몬드는 최대 500 ppm의 질소를 불순물로 포함하고 있습니다. 실제로 0.1% 이하의 불순물 농도를 가지는 천연 다이아몬드에서는 적기 때문에 이 종류의 다이아몬드는 대게 인공적으로 합성된 산업용 다이아몬드에서 볼 수 있습니다.

 

Type IIa

 

이 종류의 천연 다이아몬드는 매우 드물게 발견됩니다. IIa형 다이아몬드에는 질소 불순물의 농도가 낮기 때문에 적외선 또는 자외선 흡수 방법으로도 쉽게 검출되지 않습니다.

 

 Type IIb

 

이 종류의 다이아몬드도 매우 드물게 발견됩니다. IIb 형 다이아몬드는 p형 반도체이기 때문에 lla형 다이아몬드보다 질소가 더 적게 함유되어 있습니다.

 

합성 다이아몬드

 

산업적 이용을 위해 합성된 인공 다이아몬드는 HPHT(High-Pressure High-Temperature Synthesis) 공정을 통해 생산됩니다. 원료인 흑연과 금속 촉매는 고온 및 고압을 가하는 유압 프레스 내부에서 수 시간에 걸쳐 서서히 다이아몬드로 변환됩니다. HPHT 공정으로 만든 다이아몬드는 일반적으로 크기가 수 밀리미터에 그치고 보석으로 사용하기에도 많은 결점이 있지만 높은 압력을 가하는 장치나 절삭 공구로 유용하게 사용됩니다.

 

합성 인공 다이아몬드가 코팅된 절삭공구(그라인더)

 

참고로 다이아몬드는 단단한 합금이나 세라믹을 가공하는데 널리 사용되지만 그보다 더 무른 철 합금을 가공하는데는 사용되지 않습니다. 철 합금 가공시 발생되는 열로 인해 다이아몬드의 탄소와 철이 반응하여 매우 빠르게 마모가 일어나기 때문입니다.