EternityDiamond

보석의 합성법

(Source : Gem Rock Auctions)

- 플럭스법 (Flux method)

제조하고자 하는 보석 물질의 화학성분을 백금 도가니와 같은 용기에 넣고 거기에 다시 융제 또는 플럭스(Flux)라는 물질을 추가시킨 다음 높은 온도에서 용융을 시킨다. 융제를 사용하면 원료물질의 녹는점이 낮아지므로 소모전력감소에 따른 생산비를 낮출 수 있다. 이 용융물을 냉각하면서 결정화를 시켜 단결정을 성장시키는 방법을 융제 용융법(flux melt method) 또는 융제법(fluxmethod)이라고 한다. 융제법에 의한 장점은 높은 융점으로 안정된 제품을 얻어낼 수 있다는 것이다. 단점은 설비비가 많이 들고 결정의 성장속도가 매우 느리다는 점이다.

융제 용융법으로 합성된 최초의 보석은 에메랄드였으며, 1968년 이 연구에 참여했던 에스피그에 의해 발표되었다. 주로 합성 에메랄드, 합성 루비, 그리고 소량의 합성 알렉산드라이트, 합성 사파이어도 생산하는데 사용이 되고 있다. 플럭스법에 의한 합성석에는 천연의 것과 비슷한 내포물이 나타나는데 일직선이나 각진 색대가 나타날 수 있다. 그리고 백금 도가니 사용에 의한 육각형의 백금판이나 용해가 되지 않은 플럭스 내포물이 있다.

(Source : ResearchGate by Mehmet Yildiz)

- 존 멜팅법 (Zone Melting Method)

육성하고자 하는 물질을 분말 또는 부분 용융시켜서 만든 막대기 형태로 준비하여 원료물질의 용융점보다 높은 온도로 고주파 코일로 가열시키고, 그 곳을 원료 물질이 천천히 지나가도록 조정한다. 이 방법은 한 순간에 원료 물질 중 한 부분 또는 한 지역만 녹인다. 가열되는 부분의 넓이가 매우 좁기 때문에 용융 되는 부분은 표면 장력에 의해 그대로 지탱되다가 재결정된다.

원료물질은 시료에 들어 있는 불순물이 그대로 용해된 상태로 남아 있기 때문에 순도가 높은 결정을 길러낼 수 있다는 장점이 있다. 이 방법에 의한 합성석은 내포물이나 커브선 등의 감별 특징이 거의 없다. 주로 합성 커런덤, 합성 루틸, 합성 알렉산드라이트를 생산한다.

- 스컬 용융법 (Skull Melting Method)

큐빅 지르코니아 "런(run)" 개방 중

(Source : Gemology Project by Larry P Kelley, Wikipedia)

고온에서 등축정계 결정구조이고 저온에서 냉각 될때는 정방정계, 사방정계 또는 단사정계 구조로 변하게 되는데, 다이아몬드의 모조석으로 사용하기 위해서 고온의 결정구조를 저온에서 유지시켜줄 수 있는 안정제를 첨가해야 한다. 주로 산화칼슘(CaO) 또는 산화이트륨(Y2O3)을 사용한다. 이 방법의 장점은 성장속도가 빠르고 완전하고 깨끗한 결정을 얻을 수 있다는 점이며, 단점은 시설비가 많이 든다는 것이다. 이 방법으로는 무색의 합성 큐빅지르코니아를 대량 생산해내는 데 적당한 착색물질을 첨가하여 주황색, 황색, 녹색, 갈색 등의 변종들을 만들 수 있다. 세륨에 의해 주황색 또는 적색, 크롬에 의해 녹색, 니켈을 추가시켜 갈색물질을 만든다. 확대해 보면 일반적으로 깨끗하나 가끔 용해되지 않은 산화지르코늄의 분말이나 기포를 발견할 수 있다.

이 방법은 녹는점이 매우 높은 합성 큐빅지르코니아의 결정 생성을 목적으로 1970년대 초반에 소련에서 개발되었다. 이 합성법은 우선 고주파 코일이 감긴 가열 장치 내에 동관으로 엮어진 그릇 모양의 스컬을 넣고, 동관을 통해 물이 흐르도록 냉각 장치를 한다. 그리고 큐빅지르코니아를 만들기 위해 산화지르코늄 분말을 스컬에 가득 채운 다음 고주파를 발생하게 한다. 상온에서 부도체 성질을 지닌 산화 지르코늄 분말을 고주파에 의해 열을 가한 뒤 금속 지르코늄 분말을 넣어야 녹게 된다. 큐빅지르코니아의 녹는점은 2750℃로서 어떤 도가니도 이 온도에서는 견디지 못하지만, 냉각수가 흐르는 동관과 접한 부분의 산화 지르코늄은 녹지 않으므로 도가니 열할을 하게 된다. 스컬 벽에 생긴 자연 도가니 속에서 용액 상태로 있던 물질을 서서히 냉각시키면 수직 방향의 절리가 발달하는 큐빅지르코니아 결정이 만들어진다.

(Source : Gemology Project)

- 수열법 (Hydrothermal Method)

(Source : Alecandrite tsarstone collectors guide)

장점은 높은 온도로 정확한 결정의 성장을 유도할 수 있다는 점이며 단점은 시설비가 매우 높고 운용비용도 많이 든다는 것이다. 또한 성장 속도가 느려 쿼츠나 큰 에메랄드 결정을 얻기 위해서는 50～70일 정도가 걸린다. 이 합성법으로 만드는 주요 보석 광물로는 합성 에메랄드와 합성 수정, 합성 루비 등이 있다. 합성 쿼츠는 대부분 무색이며 주로 산업용도로 쓰여진다. 그 외 색깔의 쿼츠도 생산되며 황색과 자색의 합성 쿼츠는 소련과 일본에서 상업적으로 생산되고 있다. 수열법으로 만든 합성석도 융재법으로 만든 합성석처럼 천연 보석의 것과 흡사한 내포물을 지니고 있으며, 직선적이거나 각진 색대를 보이는 경우도 있고 종자 결정이나 못머리 같이 생긴 내포물도 보인다.

수열법이란 고온 고압하에서 결정이 자란다는 뜻에서 나온 말로, 지하의 수열광산에서 천연적으로 광물이 결정화되는 과정을 인공적으로 재현한 것이다. 수열법은 보석 물질의 원료를 용기(Autoclave) 안에 넣고, 물을 상당 부분 채운 다음 밀폐시켜서 고온 상태가 되도록 가열한다. 이때 용기 속의 온도가 차이가 나도록 온도구배를 만든다. 그러면 물속에 용해된 원료 물질은 대류에 의해 뜨거운 부분에서 온도가 낮은 부분으로 이동하여 과포화 된 양만큼 종자결정 위에 정출하게 된다. 용기 속의 온도를 물의 끓는점 이상으로 높이면, 물은 뜨겁고도 무거운 수증기로 변하여 용기 속에 엄청난 압력이 만들어지게 된다. 따라서 열수 성장법에 사용되는 용기는 높은 압력에도 견딜 수 있는 특수 강철로 만든 용기여야 한다.

수열법으로 성장한 합성 수정

(Source : Wikipedia)

- 쵸크랄스키법 (Czochralski Method)

1918년 쵸크랄스키에 의해 개발되어서 쵸크랄스키법이라 명명되었으며 결정 인상법(Crystal Pulling)이라고도 부른다. 이 방법은 용융점이 높고, 정밀산업에 이용되는 고순도 결정을 만들 때 사용된다. 육성시키려는 물질을 이리듐 도가니 속에 넣고 고온으로 가열하여 완전한 용액 상태로 만든다. 종자결정을 융액의 표면 중앙부에 닿게 하여 서서히 회전시키면서 끌어올리면 결정의 정출 작용이 종자결정 끝에서부터 시작되고, 인상된 융액이 고화되면서 막대 모양의 원통형 결정이 성장되는 결정 성장법이다.

장점은 양질의 결정을 성장시키는데 유리하는 것이다. 비교적 성장 속도가 빨라 커런덤의 경우 인상 속도는 시간당 6mm 내지 25mm정도이다. 직경이 11cm이고 길이가 40cm인 거대한 결정을 이 방법으로 만들기도 하나, 대체로 작은 결정을 만든다. 또한 고도의 정교한 기술로 결정 성장을 제어하므로 결함이 없는 깨끗한 결정을 얻어낼 수 있다. 단점은 시설비용이 매우 높다는 것이다. 주로 레이저용으로 사용되는 합성 커런덤, 전자 부품 용도로 사용되는 YAG와 GGG 그리고 합성 스피넬, 합성 알렉산드라이트, 캐츠아이 등을 생산한다.

- 베르누이법 (Verneuil method)

(Source : Alecandrite tsarstone collectors guide)

합성루비를 제조할 경우 순수한 알루미나 분말(Al2O3)에 적색으로 착색시키기 위한 산화크롬(Cr2O3)분말을 1～3%정도 섞어서 원료 보관 통에 넣고 일정한 양의 분말이 떨어지도록 한다. 알루미나의 용융점인 2050℃ 이상의 강한 불꽃을 만들기 위해서는 수소와 산소가 사용된다. 수소와 산소는 혼합 기체가 연소할때는 약 2100℃정도의 높은 열을 낸다. 루비의 원료물질은 산소 기체를 따라 아래로 떨어지며, 이들은 화염을 통과하는 동안 녹기 시작하여 화염을 통과한 후 완전 용융되어 세라믹 받침대에 떨어져 결정화가 된다.

베르누이법의 장점은 시설비용이 저렴하고 유지비용도 낮아 원석의 캐럿 당 가격 또한 낮으며, 단점은 내부의 약화로 금이나 흠이 생긴다는 것이다. 주로 합성 커런덤, 합성 스타 커런덤, 합성 스피넬을 생산하고 있으며, 그 외에도 합성 루틸, 스트론듐 티타네이트를 비롯하여 100여종의 합성 보석을 만들어 낼 수 있으다. 감별의 증거로는 커브선과 기포가 있다.

1800년대 말경 루비합성을 목적을 개발된 합성 방법으로 루이스 베르누이에 의해 개발되어 그의 이름을 따서 명명되었다. 보석의 원료물질을 높은 온도의 불꽃 속으로 통과시켜서 순간적으로 용융 시킨 후 다시 단결정으로 결정화시키는 방법이다. 이 방법은 오늘날에도 합성의 기초원리로 이용되고 있으며, 베르누이법(Verneuil method) 또는 화염용융법(Flame Fusion method) 이라고도 한다.

(Souce : Alecandrite tsarstone collectors guide, Wikipedia)