다이아몬드를 가장 많이 생산한 아가일(Argyle) 광산

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다이아몬드는 인간 세상에서 가장 값비싼 보석이지만 그것의 성분은 탄소(C) 원소일 뿐이다. 연필심을 만드는 흑연과 나무를 태운 숯과 검댕도 탄소 원소인데 성질은 달라 서로 다른 원소인 것처럼 보인다. 다이아몬드는 가루처럼 작아도 공업용으로 중요하게 쓰인다. 과학자들은 반세기도 더 전에 인공적으로 다이아몬드를 합성하는 방법을 개발했다. 2022년에는 우리나라의 한 기업에서도 세계 8번째로 합성 다이아몬드를 생산하기 시작했다는 뉴스가 있었다.

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우주에서 양적으로 가장 많이 존재하는 물질을 순위대로 말하면 1위 수소, 2위 헬륨, 3위 산소, 4위가 탄소이고, 지구의 지각에서는 탄소가 15번째로 풍부한 원소이다. 탄소는 다른 원소들과 화학결합을 잘하는 성질이 있기 때문에 지구상의 모든 생명체의 몸을 구성하는 성분(유기물)이 되었고, 대기 중의 이산화탄소도 되었다.

 

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다이아몬드는 왜 생겨나는가?

원자번호 6번, 주기율표에서 2주기 14족인 탄소는 지구상에서 화합물 상태로 대부분 존재한다. 탄소와 산소가 결합한 이산화탄소는(CO2)는 대기 중에 있고 물속에도 다량 녹아 있다. 대기 중의 이산화탄소에 포함된 탄소만의 양은 약 9,000억 톤이고, 물에 녹아 있는 이산화탄소 중의 탄소량은 그 4배인 36조 톤이다.

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화합물이 아닌 원소 상태로 자연계에 존재하는 탄소는 흑연(graphite)과 다이아몬드이다. 다이아몬드는 흑연이 고온과 고압의 영향으로 단단한 결정체로 변한 것이다. 다이아몬드가 생겨날 정도의 고온(900℃ 이상)과 고압(40.000기압 이상) 조건은 지하 150-250km나 되는 깊은 맨틀층에서 찾을 수 있다. 다이아몬드를 얻으려면 이런 깊은 곳까지 들어가야 할 것이다. 그러나 그런 곳에 다이아몬드가 있다면, 화산이 폭발할 때 용암이 쏟아져 나오는 구멍(화산 파이프)을 따라 그들은 지표 가까이 나올 수 있다. 그리고 지각이 서로 충돌하거나 미끄러지는 경계면에서도 다이아몬드가 생겨날 수 있다.

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화산 구멍을 통해 나온 다이아몬드가 발견되는 암석을 킴벌라이트(kimberlite rock)라 하고, 지각이 접촉하는 경계면에서 생겨난 암석은 램프로이트(lamproite rock)라 한다.

 

 

고급 핑크 다이아몬드 최대 생산지

자연산 다이아몬드가 산출되는 중요 광산은 남아프리카, 나미비아, 보스와나, 콩고 등 아프리카 대륙과 러시아, 브라질, 오스트레일리아 등지이다. 특히 오스트레일리아의 아가일(Argyle) 광산은 한동안 가장 많은 양의 다이아몬드를 생산한 동시에 핑크빛이 나는 고급 다이아몬드가 산출되는 곳으로 유명했다. 이곳은 한때 1년에(2018년) 총량 1,400만 캐럿이나 생산한 세계 최대 광산이었지만, 2020년 말부터 생산환경의 악화로 생산이 중단된 상태에 있다.

 

 

 

 

아가일 다이아몬드 광산은 오스트레일리아의 북서쪽에 있다. 1984년부터 2020년까지 37년 동안 이 광산에서는 600m 깊이까지 채굴하여 8억 6.500만 캐럿의 가공하지 않은 다이아몬드를 생산했다. 작업환경이 악화되면서 생산을 중단한 이 광산은 2025년 경에 생산을 재개할 예정이라고 한다.

 

 

 

 

생산량이 적고 아름다운 핑크 다이아몬드는 고급 다이아몬드로 인정되고 있다.

 

 

 

 

아가일 광산에서 산출된 가공하지 않은 4.27캐럿 다이아몬드 원석이다. 이 광산에서 산출된 다이아몬드는 5% 정도만 보석으로 가공되고 나머지는 공업용으로 사용했다. 유명한 핑크와 그린 다이아몬드는 1% 정도뿐이었다.

 

 

 

순수한 다이아몬드는 투명하다. 극미량의 이물질이 포함되면 이물질의 성분에 따라 파랑, 노랑, 갈색, 녹색, 보라, 핑크 등의 빛이 난다. 다이아몬드의 크기(질량)는 캐럿(carat, ct) 단위로 나타내는데, 1캐럿은 20mg이다.

 

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다이아몬드의 특별한 성질

​다이아몬드는 전기가 통하지 않는 부도체이다. 열은 잘 전달하고 열팽창율은 최소이며, 마모(磨耗)에 가장 강하 물질이다. 또한 모든 파장의 빛이 잘 통과하는 최고의 투명체이고, 다른 화학물질에 의해 거의 부식되지 않는 성질이 있다.

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다이아몬드는 탄소가 주성분인데 타지 않는가?

다이아몬드가 녹는 온도는 3,550℃이고, 끓어서 기체가 되는 온도는 4,827℃이다. 그러나 산소가 충분히 있는 조건에서 태우면 비교적 낮은 온도인 690-840℃에서 연소하여 이산화탄소로 변한다. 입자가 작을수록 빨리 타버린다.

 

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다이아몬드는 쇠망치로 때려도 깨어지지 않는가?

다이아몬드는 경도(硬度)가 가장 강하지만, 열이나 충격에 대한 저항력은 약한 편이다. 망치로 충격하면 깨어진다.

 

 

다이아몬드는 흑연으로 변하지 않는가?

다이아몬드를 고온 조건에 오래 두면 안정된 원자 상태인 흑연으로 변한다.

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왜 다이아몬드로 철은 연마하지 않는가?

다이아몬드 입자는 가장 우수한 연마가루이다. 그러나 철을 포함한 물질을 연마할 때 사용하면, 탄소가 철과 결합하는 성질이 있기 때문에 빠르게 마모되어 버린다. 그러므로 철을 자르거나 연마할 때는 열에 강하고 단단한 질화붕소(BN)로 만든 연마가루나 절단 날을 사용한다.

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산업용 다이아몬드란?

세계적으로 1년 동안 생산되는 천연 다이아몬드의 양은 약 20톤(1억 캐럿)인데. 그중 보석이 되는 것은 20%이고 나머지는 공업용으로 쓴다. 인조 다이아몬드를 합성하는 기술은 1950년대에 개발되었고, 현재 연간 600톤 정도가 생산되고 있다. 산업용 다이아몬드란 미세한 다이아몬드를 견고한 금속과 혼합하여 바위를 자르는 톱, 금속에 구멍을 뚫는 드릴, 금속을 절단하는 커터의 날, 톱날, 연마재 등으로 시용되는 것을 말한다.

 

 

 

핸드 그라인더 내부에 매몰된 다이아몬드의 입자들이 보인다.

 

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합성 다이아몬드는 얼마나 생산되나?

합성 다이아몬드는 인조 다이아몬드, 인공 다이아몬드 등으로 불리며, 영어로는 랩그론(lav-grown, laboratory-grown) 다이아몬드라고도 한다. 기술이 발전하여 지금은 50캐럿이 넘는 것도 합성한다고 알려져 있다. 큰 합성 다이아몬드는 생산비용이 많이 들어 경제적이지 못하다고 한다.

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합성 다이아몬드는 자연산과 다른가?

합성 다이아몬드의 성질은 자연산과 거의 같다고 한다.

 

 

 

인공 합성한 다이아몬드 몇 개를 보여준다. 제조 조건에 따라 크기와 색이 달라진다.

 

 

합성 다이아몬드 생산량은?

매년 약 26,000kg(1억 3,000만 캐럿)이 광산에서 생산되고, 합성되는 양은 100,000kg 정도라고 한다.

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광산에서 다이아몬드를 채굴하려면 막대한 양의 흙을 파내야 하고, 분리할 때 대량의 물을 사용하기 때문에 환경 피해가 막심하다. 그러나 합성은 공장 안에서 이루어지므로 환경 문제가 크게 발생하지 않는다. 다이아몬드는 산업용으로 꼭 필요한 물질이므로 미래에는 더 많은 양을 인공 합성해야 할 것이다. - YS

 

 

 

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