합성 다이아몬드, 천연과 ‘똑같네’

화학구조-광물성분 모두 같아… 이물질 존재 여부가 유일한 차이

합성 다이아몬드(위 쪽)와 천연 다이아몬드. 우신보석연구원 제공

결혼을 앞둔 회사원 유모 씨(27)는 예물 반지용 다이아몬드를 알아보다가 놀라운 사실을 알게 됐다. 천연 다이아몬드와 똑같은 합성 다이아몬드를 미국 온라인몰에서 천연의 절반 가격에 살 수 있었던 것. 유 씨는 “처음에는 찝찝했지만, 두 다이아몬드의 광물 성분까지 동일하다는 사실을 알고 오히려 저렴한 가격에 끌렸다”고 말했다.

최근 미국을 중심으로 탄소를 이용해 인공적으로 빠르게 성장시킨 합성 다이아몬드가 인기다. 흔히 말하는 큐빅은 지르코니아라는 광물에 크롬이나 니켈을 합성해 만든 가짜 다이아몬드다. 이와 달리 합성 다이아몬드는 화학적 구조나 물성이 천연 다이아몬드와 똑같다.

합성 다이아몬드는 크게 2가지 방법으로 만든다. 흑연이나 다이아몬드 분말을 1400∼1800도에 이르는 초고온과 5만∼6만 기압 정도의 초고압 상태에 두거나, 메탄 등 탄소화합물을 열이나 마이크로파로 분해해 고온 플라스마로 만든 뒤 600∼1500도로 가열한 진공 용기 안에서 뿜어 자라게 할 수도 있다.

어떤 과정을 거치든 탄소원자 1개를 중심으로 주변에 4개의 탄소원자가 결합해 사면체를 이루는 다이아몬드가 나온다. 천연 다이아몬드와 동일한 구조다. 겉보기나 경도, 굴절률 등 물리적 성질도 똑같다. 천연 다이아몬드처럼 현존 재료 가운데 경도가 가장 높아 잘 안 긁히지만, 망치로 내리치면 와장창 깨질 만큼 강도는 약하며, 상온에서는 흑연보다 불안정하다.

천연 다이아몬드 원석이나 막 만들어진 합성 다이아몬드가 거칠고 빛나지 않는다는 것도 공통점이다. 정밀 연마를 거쳐야 다이아몬드 안으로 굴절돼 들어간 빛이 되돌아 나오면서 반짝거릴 수 있다. 둘 사이의 유일한 차이점은 이물질 존재 여부다. 천연 다이아몬드는 지표 아래에서 수억 년 동안 성장하기 때문에 이물질이 끼어 들어간다. 반면 합성 다이아몬드에는 이물질이 거의 없다. 다이아몬드의 색은 탄소 이외의 원소가 결정한다. 탄소 자리에 질소가 1개 들어가면 짙고 아름다운 노란색을 띠며, 탄소 대신 붕소가 들어가면 파란색이 된다.

과학동아 5월호에서는 다이아몬드의 형성 과정과 천연 및 합성 다이아몬드가 갖는 특징 등을 자세히 확인할 수 있다.

우아영 동아사이언스 기자 wooyoo@donga.com