2016년 하반기 업계는 멜리 합성 다이아몬드의 비정상적인 유통으로 한 동안 혼란스러웠다. 합성 다이아몬드는 이미 오래 전부터 생산되고 있으며 해외 시장에서 쉽게 구할 수 있기 때문에 이것은 사실 놀라운 일은 아니다. 필자 역시 온 · 오프라인을 통해 실험용 합성 다이아몬드를 구입하고 있다. 합성 다이아몬드 거래는 합성을 정확히 명시함을 전제로 하며 논란의 쟁점은 항상 여기에 있다. 수입 당시 합성 여부를 직접 확인할 수 없다면 결국 수입 후 국내에서 재 검사를 해야 한다. 또한 감별한 멜리 다이아몬드 파슬을 봉인한다 해도 제품 제작 시 합성과 혼합될 우려도 있기 때문에 결론적으로 완성된 제품에 대한 최종 검사가 필요할 것이다. 이에 본 기사에서는 무색의 합성 멜리 다이아몬드가 혼합된 주얼리를 분석하는 방법을 설명하고자 한다.

다이아몬드는 크게 HPHT (High Pressure High Temperature, 고온고압) 및 CVD (Chemical Vapor Deposition, 화학 증착) 방법으로 합성된다. 고온고압 방법으로 합성된 스톤은 합성 시 촉매로 사용하는 금속 성분에 의해 자석에 반응하며 자외선 검사에서 강한 그린 형광과 인광을 나타내는 것으로 알려져 있다. CVD 합성의 경우 광발광 (Photoluminescence) 분석 시 737 nm 발광 특성과 다이아몬드 뷰 (DiamondViewTM, DeBeers, UK)에서 관찰되는 형광 패턴을 제외한 큰 특징이 없다. 따라서 합성 다이아몬드 감별은 반드시 몇 가지 단계를 통해 종합적으로 판단해야 한다. 한 번의 분석으로 정확히 감별하면 좋겠지만 아직까지 그런 방법은 없다.

최근 세계 각국에서 개발된 다양한 합성 감별 장비들이 있다. AMS · M-Screen · ASDI는 대량의 멜리 다이아몬드를 자동으로 감별할 수 있으며 D-Secure · DiaTrue · GLIS-3000 · Quick Check · PhosView 등의 기기는 수동식으로 나석 (멜리)과 주얼리 제품을 검사한다. 감별 결과는 소프트 웨어와 육안으로 확인할 수 있다. 이 기기들의 감별 원리는 크게 두 가지로 정리할 수 있다.

그림 1. 다이아몬드의 적외선 분광 (FT-IR) 스펙트럼

첫 번째는 무색의 천연 다이아몬드에서 나타나는 N3 센터 (415 nm center) 또는 254 nm 단파 자외선 흡수 특성을 분석해 천연 다이아몬드를 찾아내는 방법이다. 두 번째는 인광이 나타나면 합성이라는 전제하에 형광과 인광을 확인해 합성 스톤을 육안으로 확인하는 방법이다. 수동식 기기의 경우 간단한 사용법과 분석 시간이 짧으며 특히 가격이 $20,000 내외로 비교적 저렴한 편이다. 이 두 방법 모두 합성 다이아몬드 기초 분석을 위해 어느 정도 사용은 가능하다. 그러나 천연 다이아몬드에서도 그린 형광과 인광이 나타날 수 있고 형광과 인광이 나타나지 않는 합성 다이아몬드 또한 존재하며, N3 센터가 낮은 경우 정확히 분석하지 못할 수 있는 점 등 해결되지 못한 부분이 있기 때문에 이 기기들을 통한 합성 다이아몬드 감별에는 분명 한계가 있다.

다이아몬드 감별의 첫 단계는 FT-IR (적외선 분광분석)을 통해 합성이 가능한 Type II 스톤을 가려내는 것이다. 그림 1에서 우측 하늘색으로 표시된 부분에 흡수가 없는 것이 질소 (Nitrogen)를 함유하지 않는 Type II 다이아몬드의 스펙트럼이다. FT-IR로 다이아몬드의 타입을 측정하는 대표적인 방법은 투과법 (Transmission)과 반사법 (Reflection)이다. 투과 방법은 말 그대로 적외선이 다이아몬드를 통과해야 하므로 표면이 드러나 있어야 가능하다 (그림 2). 따라서 나석은 투과 방법으로 측정이 가능하다. 그러나 제품의 경우 표면이 금속으로 둘러싸여 스톤의 테이블 부분만 드러나 있는 경우가 많다. 또한 멜리 다이아몬드 수 십 개가 가까이 붙어 있기 때문에 적외선이 하나의 다이아몬드만 통과해 측정하는 것은 대부분 불가능하다. 이런 경우 적외선 현미 분광기 (FT-IR Microscope Lumos, Bruker, Germany)를 이용해 스톤의 드러난 부분에 적외선을 수직으로 반사시켜 개별적으로 분석할 수 있다 (그림 3).

그림 2. 적외선 투과 방식 (나석)

그림 3. 적외선 반사 방식 (주얼리 제품)

그림 4. 멜리 합성 다이아몬드가 혼합된 목걸이 펜던트

그림 5. 펜던트에 있는 멜리 다이아몬드 17점의 FT-IR 측정 스펙트럼

주얼리에 세팅된 멜리 다이아몬드 감별에 대한 이해를 돕기 위해 우신에서 연구한 분석 사례를 살펴보겠다. 그림 4는 실험을 위해 멜리 합성 다이아몬드를 혼합해 제작한 목걸이 펜던트이다. 펜던트의 센터 스톤은 0.3 ct, Type IaAB 천연 다이아몬드이고 17점의 멜리 스톤이 사이드에 배치되어 있다. 이 펜던트의 다이아몬드를 적외선 현미 분광기로 측정한 결과는 그림 5와 같다. 그림 6에 표시된 숫자를 기준으로 05 · 09 · 12 · 16번은 Type II이다 (그림 5).

Type II 다이아몬드는 고온고압과 CVD 합성 가능성이 있기 때문에 이 펜던트에 있는 총 4점의 스톤에 대해 추가 검사를 실시해야 한다. 고온고압의 경우 성장 방식에 의해 육팔면체 (Cubo-octahedral, 정육면체와 정팔면체가 혼합된 다면체) 형태의 성장 패턴이 나타난다. 또한 대부분 그린 컬러의 매우 강한 형광과 인광이 나타나는 것으로 보고되고 있는데 이 특징들은 다이아몬드 뷰를 이용해 관찰할 수 있다 (그림 6).

그림 6. 멜리 합성 다이아몬드가 혼합된 펜던트의 형광·인광·성장패턴

이 펜던트에 자외선을 조사했을 때 약 9점 정도의 스톤에서 강한 형광이 나타난다 (그림 6-1). 총 4점의 Type II 스톤 중 12번은 자외선 검사에서 형광과 인광 반응이 없고 합성 시 나타나는 성장 패턴도 관찰되지 않았다. 반면 05 · 09 · 16번 스톤은 자외선을 제거한 후에도 강한 인광이 지속되는 것을 볼 수 있다 (그림 6-2). 또한 이 세 점 중 05 · 16번에서는 뚜렷한 육팔면체 성장선이 확인되었고 09번의 경우 부분적으로 관찰되었다 (그림 6-3). FT-IR 측정에서 Type II이고 다이아몬드 뷰에서 인광과 육팔면체 성장 패턴이 나타나기 때문에 사실 이 단계에서 이 3점 스톤을 고온고압 합성으로 판단할 수 있다. 여기에 추가적으로 광발광 분석 결과를 종합하면 합성임을 더욱 명확히 할 수 있다.

그림 7. 다이아몬드 광발광 분석을 위한 473 · 514 · 633 nm 레이저

광발광 분석을 통해 천연 다이아몬드와 합성 다이아몬드가 갖는 각기 다른 결함을 발광 스펙트럼을 통해 확인할 수 있기 때문이다. CVD 합성의 경우 실리콘 성분에 의해 737 nm에서 SiV 센터가 나타나며 고온고압의 경우 합성 시 촉매로 사용하는 금속 성분에 의해 883 · 885 nm에서 니켈 (Nickel) 관련 발광이 일어나는 것으로 보고되고 있다. 광발광은 넓은 범위의 분석을 위해 다양한 파장의 레이저를 사용하는데 우신에서는 473 nm (블루) · 514 nm (그린) · 633 nm (레드) 총 3개 파장의 레이저를 사용하고 있다 (그림 7).

그림 8. 펜던트에 있는 Type II 멜리 합성 다이아몬드 3점의 광발광 분석 데이터

앞서 Type II로 분류된 4점의 멜리 스톤 중 12번은 741 nm에서의 GR1 센터 외 SiV 센터와 883 · 885 nm 발광 특성은 없었다. 그림 8은 나머지 3점의 Type II 스톤의 광발광 분석 결과이다. 왼쪽 차트를 보면 737 nm에 붉은색 이중 Peak (Doublet)이 관찰된다. 앞서 언급한 것과 같이 737 nm 발광 특성은 실리콘 관련 결함에 의한 CVD 합성 다이아몬드의 대표적 특징이지만 고온고압 합성에서도 간혹 나타나는 것으로 알려져 있다. 737 nm 결함은 3점 중 1점에서 높게 나타나고 1점에서는 약하며 나머지 1점에서는 나타나지 않는다. 오른쪽 차트는 금속 성분에 의한 결함이다. 3점 모두 883 · 885 nm에서 니켈 관련 결함이 매우 높게 이중 Peak (Doublet)으로 나타난다. 이상 FT-IR · 다이아몬드 뷰 · 광발광 세 단계의 분석 결과를 종합해보자. 멜리 다이아몬드 17점 중 Type II 1점은 형광과 인광이 없으며 합성의 성장 패턴과 결함 센터도 나타나지 않는다. 따라서 천연으로 판단 가능하다. 나머지 Type II 3점은 모두 강한 그린 형광 · 인광을 보이며 육팔면체 성장 패턴, 883 · 885 nm 결함을 나타낸다. 이 같은 합성의 전형적인 특징을 바탕으로 Type II 05 · 09 · 16번 스톤 3점을 고온고압 합성으로 판단할 수 있었다.

여기서 제시한 분석은 매우 빠르거나 손 쉬운 방법은 아니다. 기기 또한 고가이고 다루기 쉽지 않으며 다소 긴 시간이 소요된다. 그러나 나석과 제품 모두를 막론하고 인광 여부로만 합성을 감별하는 것은 타당하지 않다. 따라서 현재로서는 정확한 감별을 위해 시간과 노력을 들일 수 밖에 없다. 이 시간적 문제는 최근 시기 적절하게 개발되고 있는 새로운 기기들을 통해 신속히 개선할 계획이다. 마지막으로 멜리 합성 다이아몬드의 불투명한 거래가 근본적으로 해결되기 바라며 이 자료가 합성 멜리 다이아몬드로 혼란한 업계에 도움이 되기를 바란다.

귀금속경제신문(www.diamonds.co.kr)