초임계수 산화 공정을 이용한 합성 다이아몬드와 흑연의 분리

Abstract

다이아몬드는 고유한 특성들을 바탕으로 절삭재, 열전도체, 광학재료 등에 쓰이고 있으며 최근에는 반도체 등 전자재료의 가능성도 제시되며 다양한 분야에서 연구 및 사용되고 있다. 이러한 다이아몬드의 소재적 가치 증가에 따른 수요 증대에 대응하기 위한 인공 다이아몬드 합성이 연구되어 왔고, 대표적인 방법으로 고온고압법과 화학적 기상증착법이 사용되고 있다. 고온고압법으로 합성된 다이아몬드의 경우 전환율에 따라 전환되지 못한 흑연이 잔존하게 되는데, 순수한 다이아몬드를 혼합상태에서 분리해 내는 것이 다이아몬드 합성에서 매우 중요한 공정 중 하나이다. 기존에 물리적 분리공정과 화학적 세정공정을 통한 분리가 연구되어 있는데, 물리적 분리공정의 경우 근본적으로 두 물질의 완벽한 분리가 불가능하고, 분리시간이 상대적으로 오래 걸리거나 공정 변수 조절이 수월하지 않다는 단점이 존재한다. 화학적 세정공정의 경우 강한 산화제등 화학약품이 다량으로 사용되고 폐수처리공정이 필수적으로 동반되어야 하거나 높은 온도와 긴 시간이 필요하다는 단점이 존재한다. 초임계수의 경우 이미 하수 슬러지나 고상의 유기물들의 산화처리 공정에 이용되고 있고, 밀도 조절을 통해 산소와 촉매로 사용될 수 있는 알칼리 금속 염을 동시에 대상물질에 접촉시킬 수 있다는 장점이 있기 때문에 본 연구에서 기존 합성 다이아몬드와 잔존 흑연의 분리 공정들에 대한 대체공정으로 제시되었다. 400 ℃의 반응온도에서 초임계수의 밀도가 0.357 g/ml가 되도록 고정시켰고, 우선 흑연만을 대상으로 과산화수소 수용액을 통해 공급되는 산소의 농도, 알칼리 염의 종류 및 농도와 반응 시간을 조절해주며 촉매를 활용한 초임계수의 흑연 산화 양상에 대해 확인해 보았다. 일정 산소 농도 및 반응 시간 이상에서는 유의미한 산화 반응이 추가적으로 진행되지 않는 것을 확인하였고, 촉매로 사용된 수산화소듐, 수산화포타슘, 탄산소듐 및 탄산포타슘 중에서 포타슘을 양이온으로 하는 알칼리 염의 촉매 성능이 더 뛰어난 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 흑연과 다이아몬드를 일정 중량비로 섞어 동일한 초임계수 산화실험을 진행해 보았고, 탄산포타슘을 사용한 조건에서 다이아몬드에 손상 없이 흑연이 선택적으로 산화되어 제거되는 것을 확인할 수 있었다. 해당 공정 조건을 바탕으로 실제 다이아몬드 합성 업체에서 제공받은 합성 다이아몬드와 잔류 흑연의 혼합물을 대상으로 촉매를 활용한 초임계수 산화 공정을 시행하였고 FE-SEM, XRD 및 Raman spectrum 분석들을 통해 순수한 합성 다이아몬드가 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

Diamonds have been utilized for cutting materials, thermal conductors, optical materials, and electronics based on their unique properties. They are considered material candidates for promising businesses such as semiconductors, so research on artificially synthesizing them is continuing to be developed. Synthetic diamonds are usually produced by high-pressure and high-temperature (HPHT) and chemical vapor deposition (CVD) processes. Synthetic diamonds obtained in the HPHT process should undergo a post-treatment process to remove the metal catalyst and residual graphite. Separation through a physical separation and chemical purification processes has been proposed. However, it is difficult to separate the materials by physical separation completely, and chemical purification requires a large amount of strong oxidizing agents and a wastewater treatment process. Supercritical water oxidation has already been used in treating solid wastes, biomass, and carbon sources. It is possible to control the solubility of homogeneous catalysts and oxygen by adjusting the density of the fluid. In this study, we use alkali metal salts as a homogeneous catalyst and hydrogen peroxide as an oxygen source so the catalyst and oxygen can contact the graphite surface directly. Reaction time, amount of oxygen, type, and concentration of alkali metal salts are studied in supercritical water oxidation of graphite. We conclude that potassium salts have the better catalyst for graphite oxidation and using potassium carbonate damages diamonds less than sodium carbonate. Lastly, after treating synthetic diamond and residual graphite provided by Iljin Diamond Co., FE-SEM, XRD, and Raman spectrum were conducted. It was confirmed that only pure synthetic diamonds could be obtained through the supercritical water oxidation process using potassium carbonate as a catalyst.