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보석의 색상이 여러 가지인 이유는 무엇인가요?
색상 형성의 비밀과 측정 방법
보석의 색상은 풍부하고 다양하며 사람들이 항상 사랑해 온 독특한 매력을 지니고 있습니다. 보석의 품질은 주로 색상에 따라 달라집니다. 보석의 색상은 보석 평가에서 중요한 지표이며, 보석에 대한 대부분의 최적화 처리는 색상을 변경하거나 개선하는 작업을 포함합니다. 따라서 보석 착색의 원인을 이해하는 것은 보석 최적화 처리를 위한 중요한 전제 조건입니다. 보석이 어떻게 색을 얻는지 이해해야만 보석을 최적화할 수 있는지, 어떤 최적화 방식을 채택할지, 어떤 실험 계획을 수립할지 결정할 수 있습니다. 보석 착색에는 고전 광물학 이론, 결정장 이론, 분자 궤도 이론, 에너지 밴드 이론, 물리적 광학 효과 등 다섯 가지 일반적인 이론이 있습니다. 이러한 이론이 일반적인 천연 보석의 착색 이론을 구성하며, 다음은 이 다섯 가지 착색 이론에 대한 간략한 소개입니다.
색의 3원소 개략도
목차
섹션 I 보석 색상의 색상 및 측정
보석의 색상은 매우 다양하고 풍부하며, 보석의 가치를 평가하기 위해서는 보석 색상의 종류를 파악하는 것이 중요합니다. 색상 등급도 보석의 가치에 영향을 미치므로 다양한 보석의 색상을 정확하게 평가하는 것은 보석의 가치를 결정하기 위한 기본 전제 조건입니다. 유색 보석을 평가할 때 가장 중요한 요소는 색상입니다. 일반적으로 보석의 색상이 매력적일수록 그 가치가 높아집니다. 밝고 풍부하며 강렬한 색상은 일반적으로 너무 어둡거나 너무 밝은 색상보다 더 매력적입니다. 물론 다이아몬드와 같이 색의 백색도가 높을수록 가치가 높은 예외적인 경우도 있습니다.
1. 보석 색상의 중요성
예로부터 사람들은 보석의 독특한 매력, 특히 비둘기 피의 붉은 루비, 선명한 녹색의 에메랄드, 옥과 같은 풍부하고 다채로운 색상의 보석을 사랑해왔으며, 이 모든 것이 오래도록 깊은 인상을 남깁니다. 색상은 보석의 품질을 평가하는 중요한 지표로 품질을 결정하는 데 중요한 역할을 하며, 주로 다음 세 가지 측면에서 그 중요성이 반영됩니다.
(1) 보석 광물의 색상은 보석을 평가하는 중요한 기준입니다.
보석의 색상은 보석 평가의 기본이며 그 가치를 결정합니다. 예를 들어, 다이아몬드의 경우 색상이 한 등급 차이로 인해 약 5%의 가격 차이가 발생할 수 있습니다. 백색도가 높을수록 다이아몬드의 등급이 높아지며, 반대로 노란색이나 갈색 톤의 다이아몬드는 등급이 낮고 가격이 급락합니다. 컬러 다이아몬드의 가격은 다양하며, 컬러 다이아몬드마다 가격도 다릅니다. 그러나 일반적으로 희귀한 컬러 다이아몬드의 가격은 몇 배로 오를 수 있습니다. 루비, 사파이어, 에메랄드 등 다른 유색 보석도 색상에 따라 여러 등급으로 분류되며, 등급에 따라 보석의 가치도 크게 달라질 수 있습니다.
(2) 보석의 최적화 처리에는 종종 색상 개선이 포함됩니다.
보석의 최적화 처리 방법에는 일반적으로 보석의 색상을 변경하거나 개선하는 것이 포함되므로 보석의 개선은 보석 색상 변경이라고도 할 수 있습니다. 보석의 색상이 개선되면 투명도도 그에 따라 달라집니다. 투명도는 색상과 관련된 속성이기 때문입니다. 예를 들어, 블루 사파이어는 육안으로는 불투명한 검은색이 많지만 얇게 자르면 투명한 파란색을 볼 수 있습니다. 투명도 개선은 종종 색상의 개선과 함께 이루어집니다. 따라서 보석의 색상의 원인을 파악해야만 보석을 개선할 수 있는 방법을 알 수 있습니다. 색상의 원인을 이해하는 것은 보석 최적화 처리를 연구하기 위한 전제 조건입니다.
(3) 보석 색상의 원인을 연구하면 합성 보석과 보석 개선에 대한 이론적 근거를 얻을 수 있습니다.
가닛, 공작석, 감람석과 같은 보석의 색은 보석 고유의 성분으로 인한 것이며, 이러한 보석은 기존의 최적화 처리 방법으로는 색상을 변경할 수 없습니다. 대부분의 보석 색상은 루비, 사파이어, 에메랄드, 옥, 마노 등 불순물 이온으로 인한 불순물 때문이죠. 보석 색상의 원인에 따라 개선하는 동안 특정 색상을 유발하는 불순물 이온의 함량과 원자가 상태를 변경하여 보석의 색상을 변경하거나 개선하여 개선 된 보석의 품질을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 보석 색상의 원인을 연구하는 것은 보석 개량을 위한 이론적 기반이 됩니다.
2. 색의 물리학
(1) 컬러 및 광파
광자는 빛의 에너지를 전달하며, 광자가 사람의 눈에 도달하면 색을 느끼게 됩니다. 색은 눈과 신경계가 빛을 인식하는 것으로, 눈의 망막에 형성된 신호에 의해 생성된 반응이 대뇌 피질을 자극합니다. 색 인식의 형성에는 광원, 물체, 사람의 눈이라는 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다. 이 세 가지 중 하나 이상을 변경하면 색에 대한 인식이 달라집니다. 보석은 빛과 상호 작용하며 보석 표면에서 발생하는 반사, 굴절, 투과, 간섭, 회절 등의 현상으로 인해 다양한 색상이 만들어집니다.
전자기 방사 스펙트럼의 에너지 범위는 매우 긴 전파 광자부터 매우 짧은 광선 광자까지 매우 넓으며, 10억분의 1전자볼트 미만에서 1억 전자볼트 이상의 에너지 범위로 다양합니다.
사람의 눈이 받아들이고 인식할 수 있는 가시광선은 전자기 스펙트럼에서 매우 작은 부분으로, 파장 범위는 400-700nm이고 에너지는 약 1.7-3.1eV입니다. 관측 조건이 충분히 좋으면 그 범위를 380~760nm까지 확장할 수 있습니다(그림 3-1). 가시광선에는 빨강, 주황, 노랑, 초록, 청록, 파랑, 보라 및 기타 다양한 색상 등 우리가 보는 색이 포함됩니다. 가시광선의 파장에 따라 다른 색상을 생성하는데, 파장이 가장 길고 에너지가 가장 낮은 가시광선은 빨간색으로 파장 범위는 647~760nm이고, 파장이 가장 짧고 에너지가 가장 높은 가시광선은 보라색으로 파장 범위는 400~425nm입니다. 다른 가시광선 색상은 425~647nm에 속합니다. 다양한 색상의 가시광선 파장과 보색은 표 3-1에 나와 있습니다.
표 3-1 가시광선의 다양한 색상과 보색 파장
| 파장/nm | 스펙트럼 색상 | 상호 보완적 |
|---|---|---|
| 400 ~ 425 | 보라색 | 노란색-녹색 |
| 425 ~ 455 | 파란색 | 노란색 |
| 455 ~ 490 | 녹색-파란색 | 오렌지 |
| 490 ~ 500 | 청록색 | 빨간색 |
| 500 ~ 560 | 녹색 | 마젠타 |
| 560 ~ 580 | 노란색-녹색 | 보라색 |
| 580 ~ 595 | 노란색 | 파란색 |
| 595 ~ 647 | 오렌지 | 녹색-파란색(청록색) |
| 647 ~ 760 | 빨간색 | 녹색 |
물체의 색의 본질은 물체가 서로 다른 파장의 가시광선을 선택적으로 흡수한 결과입니다. 물체가 서로 다른 파장의 가시광선을 선택적으로 흡수하는 본질은 서로 다른 에너지를 가진 가시광선 광자를 흡수하는 것입니다. 자연광이 보석에 비추면 보석은 빛의 일부를 흡수하고 일부는 투과합니다. 보석이 나타내는 색은 흡수된 빛의 보색으로, 투과된 빛의 색과 일치합니다(그림 3-2). 예를 들어 루비의 경우 백색광이 루비를 통과하면 루비에 포함된 크롬 이온은 대부분의 청색 광자뿐만 아니라 보라색과 녹색 광자를 모두 흡수하여 에너지를 얻고, 다른 색 광자(주로 빨간색)는 루비를 통과하여 보석이 빨간색으로 보이게 됩니다.
단일 파장의 빛이 물체의 색을 만들어내는 것이 아니라 물체의 방사선은 서로 다른 에너지를 가진 광자의 혼합물이며, 가장 큰 비율을 차지하는 에너지 대역이 물체의 색을 결정합니다. 다양한 색의 빛이 균일하게 혼합되어 백색광을 형성합니다. 보석의 색상 생성은 가시광선 중 서로 다른 파장의 광자를 선택적으로 흡수하여 발생합니다. 백색광이 보석을 통과할 때 보석이 흡수하고 투과하는 빛은 혼합되어 있으며, 보석이 나타내는 색은 투과된 빛의 비율이 가장 큰 빛에 따라 달라집니다. 예를 들어 루비의 경우 백색광을 루비에 비추면 통과하는 빛은 주로 붉은색이며 소량의 청자색이 섞여 있습니다. 따라서 루비는 종종 푸르스름한 보라색을 띠는 빨간색으로 보입니다.
(2) 광원의 종류와 특성
보석의 색은 관찰자의 환경과 관련이 있으며 광원의 영향을 가장 많이 받는 주관적인 요소가 있습니다. 예를 들어 알렉산드라이트는 햇빛 아래에서는 녹색으로 보이지만 백열등 아래에서는 빨간색으로 보이는 등 다양한 광원 아래에서 보석의 색상을 관찰하면 차이를 볼 수 있습니다. 일반적으로 사람들은 자연광에서 보이는 색을 표준으로 간주하며, 일반적으로 백색광이라고 합니다.
초기 보석 시장은 비교적 정확한 보석 색상을 얻기 위해 특정 시간대에 운영되었습니다. 예를 들어 스리랑카 랏나푸라의 보석 상점은 이 시간대의 광원이 백색광에 가장 가깝기 때문에 수년 동안 오전 10시부터 오후 12시까지 운영해 왔습니다. 햇빛과 일광은 등방성 광원이 아니며, 관측 조건에 따라 광원 간 파장별 복사량의 상대적 차이가 매우 클 수 있습니다. 그림 3-3에는 다섯 가지 일반적인 광원의 에너지 분포 곡선이 나와 있으며, 이러한 광원 간의 에너지 차이는 매우 큽니다.
S - 직사광선, O - 수평면에서 흐린 하늘 빛의 조명, T - 수평면에서 햇빛과 맑은 하늘의 조명, N - 맑은 북쪽 하늘의 빛, Z - 천정 조명;
직사광선의 색상 특성은 색온도(K 단위로 측정)로 표현되는 경우가 많습니다. 색온도가 같으면 광원의 색이 비슷하다는 것을 나타냅니다. 현재 인정되는 주광색 온도는 D6500K, D5500K, D7500K입니다. 이 세 가지 램프가 국제적으로 색 측정 작업의 표준 광원으로 지정되어 있습니다. SA 는 색온도가 2854K인 백열 텅스텐 램프의 평균 인공 조도를 나타냅니다.B 는 색온도 4900K의 평균 햇빛을 나타냅니다; SC 는 6700K의 색온도를 가진 평균 주광을 나타냅니다. 보석 테스트에서는 Sc 광원을 표준 광원으로 사용합니다.
(3) 빛 및 색상 효과에 대한 민감도
보석의 색상을 관찰하는 것은 주관적이며, 객관적인 조건 외에도 보석의 색상은 관찰자의 감각적 지각과도 관련이 있습니다. 같은 광원 아래에서 사람의 눈은 색에 따라 민감도가 다르며 사람마다 색에 대한 민감도가 다릅니다. 색에 대한 관찰은 주관적이기 때문에 최대한 객관성을 확보하려면 색을 비교적 객관적으로 특성화하고 표현해야 합니다.
광수용성 효과:
정상적인 조건에서 사람의 눈으로 관찰할 수 있는 가시광선의 파장 범위는 400-700nm입니다. 관측 조건을 개선하면 감도 범위를 380~780nm로 확장할 수 있습니다. 사람의 눈은 파장이 다른 광파에 대해 서로 다른 감도를 가지고 있습니다. 주간 시력의 경우, 눈은 파장이 555nm인 녹색광에 가장 민감한 반면, 황혼 시력의 경우 가장 민감한 파장은 507nm로 이동합니다. 도로의 신호등은 사람의 눈이 가장 민감하게 반응하는 색상을 기반으로 설계되었습니다.
컬러 감각:
색은 가시광선 범위 내에서 복사 에너지의 다양한 스펙트럼 성분이 만들어내는 감각입니다. 정상적인 사람의 시각은 150가지 이상의 순수한 스펙트럼 색상을 구분할 수 있습니다. 광파와 색상 사이에는 일대일 대응이 있지만 색상과 광파의 대응은 단일하지 않으며, 종종 두 가지 이상의 다른 색상의 빛이 결합하여 한 가지 색상의 빛이 형성될 수 있습니다. 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 기본 독립 색은 원색으로 알려져 있습니다. 다른 색은 두 가지 이상의 원색을 다른 비율로 혼합하여 형성되며, 사람의 눈은 색에 매우 민감하여 다양한 색을 구별할 수 있습니다.
3. 색을 나타내는 세 가지 요소
색상은 보석의 선택적 빛 흡수에 의해 발생하며, 보석마다 다른 색상을 나타냅니다. 현재 색 이론에 따르면 색의 특성은 밝기, 색조 및 채도에 따라 달라집니다(그림 3-4). 보석 색의 유형은 서로 다른 색의 세 가지 요소를 설명함으로써 결정할 수 있습니다.
(1) 밝기
밝기는 사람의 눈에 작용하는 빛에 의한 밝기의 정도이며, 밝고 어두운 색의 정도를 말하며 휘도라고도 합니다. 밝기는 주로 광원과 물체 표면의 밝고 어두운 수준에 대한 눈의 지각에 따라 달라지며, 주로 빛의 강도에 의해 결정됩니다. 밝기는 물체의 조도 수준과 물체 표면의 반사율에 따라 달라집니다.
밝기는 색상의 밝기로 이해할 수 있으며, 색상마다 밝기 레벨이 다르고 모든 색상은 밝고 어두움의 변화를 나타냅니다. 밝기에는 두 가지 특성이 있습니다. 동일한 물체라도 조명에 따라 밝기가 달라질 수 있고, 같은 강도의 다른 색상의 조명도 밝기 레벨이 다를 수 있습니다.
색이 없는 경우 밝기가 가장 높은 색은 흰색이고 밝기가 가장 낮은 색은 검은색이며 밝음과 어두움 사이의 회색조입니다. 색상에서는 순도에 따라 밝기 특성이 있습니다. 예를 들어 노란색의 밝기가 가장 높고 보라색이 가장 낮습니다. 녹색, 빨간색, 파란색, 주황색은 비슷한 밝기 수준을 가지며 중간 밝기를 나타냅니다. 또한 같은 색조 내에서도 녹색 스펙트럼의 밝은 녹색, 옅은 녹색, 에메랄드 녹색과 같이 밝기에서 어두움까지 밝기의 변화가 있습니다.
(2) 색조
색조는 서로 다른 색상 간의 차이를 말하며 색의 가장 두드러진 특징입니다. 색조는 투과된 빛의 파장에 따라 물체를 통과하여 사람의 눈에 도달하는 빛의 스펙트럼 성분에 의해 결정됩니다. 물체의 색조는 입사되는 광원의 스펙트럼과 물체 자체에서 반사되거나 투과되는 빛에 의해 결정됩니다.
소위 색조는 로즈 레드, 오렌지 옐로우, 레몬 옐로우, 코발트 블루, 퍼플 레드, 에메랄드 그린 등과 같이 특정 색상 범주를 보다 정확하게 나타낼 수 있는 이름을 말합니다. 물리 광학의 관점에서 보면 사람의 눈에 들어오는 빛의 스펙트럼 성분에 따라 다양한 색조가 결정됩니다. 단색광의 경우 색조의 종류는 전적으로 해당 빛의 파장에 따라 달라지며, 혼합색광의 경우 다양한 파장의 빛의 상대적인 양에 따라 달라집니다. 물체의 색은 광원의 스펙트럼 성분과 물체 표면에 반사(또는 투과)되는 빛의 특성에 의해 결정됩니다. 이는 빛의 파장과 관련이 있습니다. 예를 들어 470nm 파장이 주 파장인 색을 470nm 파장의 파란색이라고 하며, 일반적으로 사파이어의 파란색으로 볼 수 있습니다.
(3) 채도
색상의 채도는 색상의 순도와 선명도를 나타내며, 색상에 포함된 색채 성분의 비율을 나타냅니다. 색 구성 요소의 비율이 클수록 색의 순도가 높고, 색 구성 요소의 비율이 작을수록 색의 순도가 낮습니다. 채도는 색상이 검정, 흰색 또는 다른 색상과 혼합되면 변경됩니다. 혼합된 색의 비율이 상당한 수준에 도달하면 원래 색은 눈에 보이는 원래의 광채를 잃고 보이는 색은 혼합된 색의 색이 됩니다. 물론 이것은 원래 색상이 더 이상 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것이 아니라 다른 많은 색상이 섞여 원래 색상이 동화되어 사람의 눈에는 눈에 띄지 않게 되었다는 것을 의미합니다.
가시광선 스펙트럼에서 단색광은 채도가 가장 높으며 가장 선명합니다. 단색광은 일반적으로 100/100 = 1로 간주되며 색이 희미해지면서 점차 값이 감소하여 순백색은 채도가 0이 됩니다. 순수한 파란색 잉크를 예로 들면, 순수한 파란색 잉크의 채도는 1이며 점차 희석되어 완전히 무색이 되면 채도는 0이 됩니다.
4. 보석 색상 측정
색상을 정량적으로 표현하는 시스템을 색상 시스템이라고 합니다. 일반적으로 사용되는 색상 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다. 하나는 비교를 위한 표준 색상 샘플을 기반으로 하는 색상 시스템이고 다른 하나는 최신 색상 측정 기기를 사용하여 측정한 색상 표준 시스템입니다.
(1) 표준 색상 샘플의 색상 체계
이 색상 시스템은 표준 색상 샘플을 책으로 엮은 종이로 만든 다양한 '색상 카드'로 구성됩니다. 보석 샘플과 비교하여 보석의 색상과 일치하는 '컬러 카드'를 선택합니다.
먼셀 컬러 시스템
Munsell 색상 시스템은 가장 초창기이자 가장 고전적인 색상 표현 시스템 중 하나입니다. 오늘날에도 일부 조직에서 여전히 사용하고 있습니다. 1905년 미국의 교육자이자 색채 이론가인 앨버트 먼셀이 자신의 이름을 따서 만든 것입니다. 색상 솔리드 모델을 통해 색상을 표현하는 방식입니다. 미국광학회(OSA)에서 발행한 '먼셀 컬러 아틀라스'에는 유광 및 무광택 버전이 있습니다.
유광 버전에는 1,450개의 컬러 샘플과 37개의 무채색 샘플 세트가 포함되어 있으며, 무광 버전에는 1,150개의 컬러 샘플과 32개의 무채색 샘플이 포함되어 있습니다.
Munsell 아틀라스에서 각 색은 일련의 기호로 표시됩니다. 이 기호는 색 표현의 세 가지 요소인 색조, 값, 채도에 대한 등거리 표시를 제공하며, HV/C = 색조 값/채도로 표시됩니다.
색조는 빨강(R), 노랑-빨강(YR), 노랑(Y), 초록-노랑(GY), 초록(G), 파랑-녹색(BG), 파랑(B), 보라-파랑(PB), 보라(P), 빨강-보라(RP) 등 5가지 기본 톤과 5가지 중간 톤으로 나뉩니다. 각 톤은 다시 10단계(1~10)로 나뉘며, 다섯 번째 단계는 해당 톤의 중간 색입니다(그림 3-5).
값은 11단계로 나뉘며, 값이 클수록 밝기가 높아지며, 최소값은 0(검정)이고 최대값은 10(흰색)입니다. 채도는 12단계로 나뉩니다. 전체 색상 아틀라스에는 40가지 유형의 색조 샘플이 포함되어 있습니다. 예를 들어 5GY 8/7은 값이 8이고 채도가 7인 황록색을 나타냅니다. 비색(검정, 흰색, 회색) 계열의 명명 규칙은 NV/=중성 명도 값으로, 예를 들어 N5/라고 표시된 색은 명도 값이 5인 회색을 나타냅니다.
DIN 6164 컬러 시스템
독일의 DIN 6164 매뉴얼도 중요한 색상 체계입니다. 유럽과 영국의 많은 보석 학자들이 이 시스템을 사용합니다. 이 색상 체계는 Munsell 시스템을 기반으로 개발되었습니다.
DIN 6164 컬러 카드에는 24가지 색상이 있으며, 각 색상의 뒷면에는 해당 Munsell 색상 표기가 표시되어 있습니다. 색조: 채도: 명도의 형식으로 표현됩니다. 예를 들어 6:6:2는 표준 색상 카드의 색조 6(빨간색), 채도 6(선명함), 명도 2(밝음)를 나타냅니다.
ISCC-NBS 컬러 시스템
ISCC(미국 색채 협회)는 1931년 미국의 국내 색채 협회로 설립되었으며, 색채 명명 체계의 개발을 목표로 합니다. 먼셀과 DIN 6164에서 동일한 색조와 명도 위치의 18가지 색상을 수집합니다.
ISCC-NBS(미국 표준국)는 미국 국가 표준 시스템에서 색상 샘플을 거의 보유하고 있지 않지만 몇 가지 흔하지 않은 샘플을 수집했습니다. 구조적으로도 색상이 지각 등거리 측정 기준에 따라 배열되지 않기 때문에 Munsell 시스템과 다릅니다. ISCC-NBS 시스템의 색상 과학에 대한 가장 중요한 공헌은 색상 이름을 정의한다는 점입니다.
OSA 색상 표준 ④
OSA(미국광학회)는 558가지 색상을 포함한 실용적인 아크릴 광택 컬러 카드 세트를 준비했으며, 이 중 424가지 색상이 OSA 컬러 표준으로 알려진 세트를 구성합니다. OSA 색상 표준의 단점은 컬러 카드가 종이 또는 플라스틱으로 만들어져 보석과 질감이 다르고, 컬러 카드의 표면 광택이 면 처리된 보석에 반사되는 빛과 달라서 신중하게 사용해야 한다는 것입니다. 색 바램으로 인해 대부분의 컬러 카드의 사용 기간은 4~5년입니다.
(2) 색채 좌표 및 색채 다이어그램
1931 CIE-XYZ 색 공간 시스템
이 색 공간 시스템은 RGB 시스템을 기반으로 하며 수학적 방법을 사용하여 실제 원색을 대체할 세 가지 이상적인 원색을 선택합니다. 가상의 원색을 축으로 삼아 가시광선의 다양한 파장을 투영합니다. 원색의 값을 삼원색 값이라고 합니다. 이 시스템에서는 삼자극 값이 음이 아니어야 하며, y가 광속과 같아야 합니다. x를 가로축으로, y를 세로축으로 사용하여 색좌표를 형성하고 각 단색광의 색좌표 값을 투영하여 색채 다이어그램을 얻습니다. 그림 3-6은 1931년에 국제적으로 제정된 (XYZ) 시스템의 표준 색도입니다.
색채 다이어그램에는 다음과 같은 특징이 있습니다:
- 이 시스템의 기본 색상의 삼원색 값은 가상입니다.
- 스펙트럼 색을 나타내는 모든 점은 스펙트럼 색이라고 하는 혀 모양의 곡선 위에 놓입니다. 곡선의 끝과 끝을 직선으로 연결하면 모든 실제 색은 혀 모양의 곡선과 직선으로 둘러싸인 영역에 포함됩니다.
- x=0.333, y=0.333에서 점 E의 좌표값은 이론적인 흰색을 나타냅니다. 백색광원마다 스펙트럼 성분이 약간씩 다릅니다. 일반적으로 사용되는 백색광은 SA, SB, SC, SE등입니다.
- 색의 색좌표는 스펙트럼 색상 궤적에 가까울수록 채도가 높습니다. 스펙트럼 색상 궤적의 점이 가장 채도가 높고 흰색 점이 가장 채도가 낮습니다. 흰색 점에서 색의 색좌표까지 그려진 선은 스펙트럼 색상 궤적과 교차하도록 확장되며, 이 선을 따라 같은 색조를 공유하는 점이 있습니다.
- 그래픽 방법을 사용하여 두 색상의 합성 색상을 도출할 수 있습니다. 두 색의 색좌표를 색도 다이어그램에 입력하면 두 색 좌표점을 연결하는 선 위에 합성 색이 있어야 합니다. 두 색상 점으로 투영되는 거리는 두 색상의 강도와 관련이 있으며, 이는 중심 분포 법칙에 의해 결정됩니다.
- 스펙트럼 색상 곡선의 끝점 사이의 직선에 있는 점은 스펙트럼 색상을 나타내는 것이 아니라 380nm의 보라색과 780nm의 빨간색을 서로 다른 비율로 혼합하여 얻은 다양한 혼합 색상을 나타냅니다.
- 스펙트럼 색상 궤적 내에서 세 점을 선택하여 색상을 만듭니다. 예를 들어 R1, G1, B1 을 세 가지 색으로 지정하면 이 세 가지 색으로 형성된 모든 다양한 색이 세 점 R에 꼭지점이 있는 삼각형 안에 포함됩니다.1, G1, B1.
주요 파장 및 채도 표현 ② 주요 파장 및 채도 표현
색도 다이어그램에서 색은 색좌표(x, y)로만 표현할 수 있는 것이 아닙니다. 헬름홀츠가 제안한 또 다른 방법은 주 파장 λ를 사용하여 색을 표현하는 것입니다.d 및 포화도(자극 순도) Pe. λd 및 Pe 는 다이어그램의 색좌표에서 파생된 특정 값입니다(그림 3-7). 주 파장은 대략 사람의 눈으로 인지하는 색감을 나타냅니다.
색채 다이어그램에서 이 점의 위치를 c(x, y)로 합니다. 점 c를 흰색 E와 연결하고 λ에서 스펙트럼 궤적과 교차하도록 확장합니다.d . 그런 다음 점의 파장 수 λd 는 이 색광의 주 파장을 나타냅니다.
점 C는 점 W와 λ를 연결하는 선에 위치합니다.d 로 표시되어 이 색상의 채도를 나타냅니다. 점 W는 순수한 흰색(E) 또는 특정 흰색 광원입니다. 특정 색의 색좌표가 흰색 점 W에서 스펙트럼 궤적을 향해 방향을 따라 점차 이동하면 색의 채도는 스펙트럼 궤적에 도달할 때까지 점차 증가하여 최대 채도가 1이 됩니다.
색상은 주 파장과 채도를 사용하여 표현되므로 색상 차이를 쉽게 비교할 수 있습니다. 약간의 색상 차이는 λ의 수치 변화로 표시됩니다.d 및 ρe를 표시할 수 있습니다.
두 가지 색상의 경우 C1, C2동일한 조명 아래에서 색좌표, 주 파장 및 채도는 표 3-2에 나와 있습니다. 색상 C의 주 파장은 다음과 같음을 알 수 있습니다.1, C2 는 0.052nm, 채도는 7% 차이가 납니다.
표 3-2 C 간의 색상 데이터 비교1 및 C2
| 컬러 투사 포인트 | X | y | λd | ρe |
|---|---|---|---|---|
| C1 | 0.368 | 0.416 | 0.592 | 0.35 |
| C2 | 0.392 | 0.355 | 0.540 | 0.28 |
5. 보석 색상 측정용 기기
(1) 분광광도계
작동 원리: 기기 내부의 표준 광원의 스펙트럼 에너지 분포를 알고 있기 때문에 스펙트럼 반사율을 측정하여 물체의 삼자극 값을 얻을 수 있습니다.
(2) 삼자극 값 색도계
물체의 색에 대한 세 가지 자극 값을 직접 측정하는 광전 통합 기기입니다. 주로 필터와 광전 변환기의 적절한 조합을 통해 색에 대한 표준 관찰자의 세 가지 반응을 시뮬레이션합니다.
현재 보석 색상의 판단은 주로 육안 관찰에 의존하고 있습니다. 예를 들어 에메랄드, 루비, 다이아몬드는 환경적 요인에 영향을 받아 기기 측정의 정확도가 낮기 때문에 보석 식별에 기기 색상 측정을 적용하는 경우는 상대적으로 드뭅니다.
섹션 II 보석 광물 색상의 이론적 기원
보석 광물은 다양한 색상으로 제공되지만 착색되는 이유도 다양합니다. 고전적인 광물학 이론에 따르면 보석 광물 색의 기원은 이디오크로매틱 컬러, 알로크로매틱 컬러, 유사 컬러로 분류할 수 있습니다.
1. 고전 광물학 색채 기원 이론의 분류
광물학의 고전적인 이론은 보석 광물의 색을 연구하는 가장 기본적인 이론입니다. 광물의 색이 광물 자체에 의한 것인지 여부에 따라 이색광, 동색광, 유사광의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
(1) 이디오 크로마틱 컬러
보석의 색은 보석을 구성하는 광물의 고유한 화학 성분에 의해 형성되며, 이를 이디오크로매틱 컬러라고 합니다. 이러한 보석을 이디오크로매틱 컬러 보석이라고 합니다. 고유한 성분이 이디오크로매틱 컬러 보석의 색을 만들어 내기 때문에 색 안정성이 우수하고 쉽게 변색되지 않습니다. 예를 들어, 청록색의 화학 성분은CuAl6(PO4)4(OH)8-5H2O에 의해 발생하며, 파란색 또는 청록색은 Cu2+아주라이트의 화학 성분은 2CuCO입니다.3 - Cu(OH)2및 Cu2+ 또한 감람석의 녹색은 화학 성분 중 철 이온에 의해 생성됩니다(그림 3-8).
천연 보석 광물에는 자체 착색 보석의 종류가 많지 않으며 주요 종류는 청록색, 공작석, 아주라이트, 감람석, 가넷, 로도크로사이트 등입니다. 자체 착색 보석의 일반적인 색상, 착색 원소 및 화학 성분은 표 3-3에 나와 있습니다.
표 3-3 유색 보석의 일반적인 착색 원소, 화학 성분 및 색상
| 색칠 요소 | 보석 이름 | 화학 성분 | 색상 |
|---|---|---|---|
| Iron | 올리바인 | (Mg, Fe)2 (SiO4) | 녹색 |
| 알만딘 | Fe3Al2 (SiO4)3 | 빨간색 | |
| 크롬 | 우바로바이트 | Ca3Cr2 (SiO4)3 | 녹색 |
| Cuprum | 말라카이트 | Cu2Co3(OH)2 | 녹색 |
| 크리소콜라 | (CuAl)2H2Si2O5(OH)4 - nH2O | 녹색 - 파란색 | |
| 청록색 | CUAl6(PO4)4(OH)8.5H2O | 하늘색 - 녹색 | |
| 아주라이트 | 2CuCO3 - Cu(OH)2 | 파란색 | |
| 망간 | 스페사르틴-가넷 | Mn3Al2(SiO4)3 | 오렌지 |
| 로도크로사이트 | MnCO3 | 분홍색 - 빨간색 | |
| 로도나이트 | (Mn, Ca, Fe) - 5(Si)5O15) | 분홍색 - 빨간색 |
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일부 유색 보석은 특정 조건에서 색이 변할 수 있습니다. 예를 들어 청록색과 공작석은 고온에 노출되면 성분 내 물 분자의 증발로 인해 색이 변할 수 있으며, 탄산염 보석인 로도크로사이트는 산(염산이나 황산 등)과 만나면 분해될 수 있으며 그에 따라 색상도 변합니다.
(2) 알로크로매틱-색상ed
보석의 색은 구성 미네랄의 고유한 화학 성분 외의 미량 또는 미미한 불순물 원소에 의해 발생하며, 이를 알로크로매틱 컬러라고 합니다. 이러한 보석을 알로크로매틱 컬러 보석이라고 합니다.
보석 광물에는 다양한 색상을 가진 많은 종류의 보석이 있습니다. 보석의 화학 성분에 불순물이 없으면 무색 투명하지만, 다른 착색 원소 불순물이 포함되어 있으면 다양한 색을 낼 수 있습니다.
순수한 커런덤은 무색이지만 크롬 이온이 소량 함유되면 루비가 되고, 철과 티타늄이 소량 함유되면 청색 또는 녹색 보석으로 변합니다. 유사한 보석으로는 에메랄드, 스피넬, 토르말린, 경옥, 옥옥, 칼세도니, 연옥 등이 있습니다. 일반적인 착색 원소, 화학 성분 및 알로크로매틱 색상의 보석은 표 3-4에 나와 있습니다.
표 3-4 일반적인 착색 원소, 화학 성분 및 알로크로매틱 색상의 보석
| 색칠 요소 | 보석 이름 | 화학 성분 | 색상 |
|---|---|---|---|
| 크롬 | Ruby | Al2O3 | 빨간색 |
| 에메랄드 | Be3Al2(시6O18) | 녹색 | |
| 알렉산드라이트 | BeAl2O4 | 빨간색-녹색 | |
| 스피넬 | MgAl2O4 | 빨간색 | |
| 칼세도니 | SiO2 | 녹색 | |
| Iron | 아쿠아 마린 | Be3Al2Si6O18 | 파란색 |
| 토르말린 | (Na, K, Ca) (Al, Fe3+, Cr)6(BO3)3Si6O18(OH)4 | 녹색-갈색 | |
| 스피넬 | MgAl2O4 | 노란색 | |
| 연옥 | Ca2(Mg, Fe2+) 5 (시4O11) 2 (OH)2 | 녹색 | |
| 바나듐 | 탄자나이트 | Ca2Al3(SiO4)3(OH) | 보라색-파란색 |
| 녹색 베릴 | Be3Al2Si6O18 | 녹색 | |
| 티타늄 | 베니토이트 | BaTiSi3O9 | 파란색 |
| 사파이어 | Al2O3 | 파란색 | |
| 망간 | 레드 베릴 | Be3Al2Si6O18 | 빨간색 |
| 로도크로사이트 | MnCO3 | 핑크 | |
| 코발트 | 천연 스피넬 | MgAl2O4 | 파란색 |
| 합성 스피넬 | MgAl2O4 | 파란색 | |
| 니켈 | 녹색 칼세도니 | SiO2 | 녹색 |
(3) 의사-색상ed
유사 색상으로 생성되는 색상은 보석 광물의 화학 성분과 관련이 없습니다. 하지만 기계적 혼합이나 광물의 형성으로 인한 구조적 및 구성적 변화로 인해 발생합니다. 의사 색은 광물 자체의 색이 아니라 외부의 영향으로 형성된 특수한 구조로 인해 발생하는 색입니다. 예를 들어, 라브라도라이트의 형광 효과와 오팔의 유색 효과와 같이 반사광과 입사광의 간섭에 의해 생성되는 아름다운 간섭 색상이 있습니다. 내포물로 인한 착색도 다이아몬드 내에 검은색의 불투명한 흑연 내포물이 많기 때문에 블랙 다이아몬드와 같은 유사 색상에 해당합니다.
2. 보석 광물의 색을 유발하는 이온
보석 색상을 생성하는 화학 원소는 주성분 또는 부성분일 수 있습니다. 전이 금속 원소, 특히 제4족 전이 금속인 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리는 발색단 또는 착색 이온이라고도 불립니다. 이 8가지 원소는 주기율표에서 연속적인 위치를 차지하며 원자 번호는 22(Ti)에서 29(Cu)까지입니다. 이러한 원소의 기본 특성은 표 3-5에 나와 있습니다.
표 3-5 8가지 전환 요소의 기본 속성
| 요소 이름 | 티타늄 | 바나듐 | 크롬 | 망간 | Iron | 코발트 | 니켈 | 구리 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 요소 기호 | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu |
| 원자 번호 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 |
| 주요 산화 상태 | +2, +3, +4 | +2, +3, +4, +5 | +2, +3, +6 | +2, +3, +4, +6 | +2, +3, +6 | +2, +3 | +2, +3 | +1, +2 |
| 원자가 전자 구성 | 3d24s2 | 3d34s2 | 3d54s1 | 3d54s2 | 3d64s2 | 3d74s2 | 3d84s2 | 3d104s1 |
이 8가지 전이 금속 원소에는 다음과 같은 특징이 있습니다:
원자가 전자는 두 번째 껍질의 d 궤도에 순서대로 채워지며, 전이 원소 원자의 원자가 전자 구성에 대한 일반적인 공식은 (n-1)d입니다.1-10nS1-2를 포함하므로 이러한 요소를 d 블록 요소라고도 합니다.
전이 금속에서는 두 번째 껍질의 d 궤도가 가장 바깥쪽의 s 궤도에 연결되어 있고 d 궤도가 아직 안정적인 구조에 도달하지 않았기 때문에 s 전자와 d 전자가 부분적으로 또는 완전히 결합에 참여할 수 있으므로 전이 금속의 일련의 다양한 산화 상태가 발생하여 산화물에 따라 보석의 색이 다르게 나타납니다.
이온이 일반적으로 색을 띠는 이유는 d궤도에 짝을 이루지 않은 단일 전자가 존재하고 여기 상태와 기저 상태의 전자의 에너지 준위가 상대적으로 가까워 가시광선 에너지가 이들을 여기시킬 수 있기 때문입니다. 여기 조건이 다르면 보석의 색상도 달라질 수 있습니다.
이온의 스핀 전자가 모두 쌍을 이루는 경우, 예를 들어 원자가 전자 구성이 d인 이온의 경우0, d10, d10s2의 경우 전자는 안정된 상태에 있고 쉽게 여기되지 않아 이온이 색을 띠지 않으므로 C+, Cr6+ 다른 보석은 색이 없고 색을 낼 수 없습니다.
이 8가지 전이 금속 원소는 일반적인 천연색 보석의 색을 구성합니다. 발색단은 보석에 따라 다른 색을 생성하며, 같은 발색단이라도 다른 색을 생성할 수 있습니다. 일반적인 천연 보석과 발색단은 표 3-6에 나와 있습니다.
표 3-6 일반적인 천연 보석 및 보석 품종에서 전이 금속 이온이 나타내는 색상
| 발색단 | 공통 색상 | 보석 품종 |
|---|---|---|
| 티타늄(Ti) 이온 | 파란색 | 사파이어, 베니토이트, 토파즈 |
| 바나듐(V) 이온 | 녹색 | 합성 색상 변경 코런덤, 에스소나이트, 에메랄드 |
| 크롬(Cr) 이온 | 빨간색, 녹색 | 루비, 커런덤, 에메랄드, 파이로프, 옥 |
| 망간(Mn) 이온 | 핑크, 레드 | 스페사르틴, 로돌라이트, 레드 베릴 |
| 철(Fe) 이온 | 파란색, 녹색, 노란색 | 사파이어, 감람석, 아쿠아마린, 토르말린, 스피넬 |
| 코발트(Co) 이온 | 파란색 | 합성 스피넬, 코발트색 스타우로라이트 |
| 니켈(Ni) 이온 | 녹색 | 녹색 칼세도니 |
| 구리(Cu) 이온 | 파란색, 청록색 | 말라카이트, 청록색, 아주라이트 |
발색단 이온에 따라 보석의 색이 달라지고, 그 결과 뚜렷한 특징을 가진 흡수 스펙트럼이 생성됩니다. 일반적인 발색단 이온의 경우, 흡수 스펙트럼은 일반적으로 식별에 중요한 의미를 갖습니다.
(1) 크롬 이온의 흡수 스펙트럼
크롬 이온의 흡수 스펙트럼은 주로 빨간색 영역에 좁은 흡수선이 많은 것이 특징이며, 가장 강한 두 개는 진한 빨간색 영역에, 다른 두 개는 주황색 영역에 위치합니다. 황록색 영역은 넓은 흡수 대역을 가지며 그 폭, 위치 및 강도는 보석의 색상 깊이와 관련이 있습니다. 파란색 영역에는 여러 개의 좁은 밴드가 있을 수 있으며 보라색 영역은 완전히 흡수됩니다. 크롬 이온은 주로 빨간색과 초록색을 생성하며, 보석에 따라 흡수 스펙트럼에 약간의 차이가 있습니다. 예를 들어 루비는 빨간색 영역에서 3개의 흡수선, 황록색 영역에서 넓은 흡수대, 파란색 영역에서 3개의 흡수선, 보라색 영역에서 완전 흡수, 에메랄드는 빨간색 영역에서 흡수선, 주황색-노란색 영역에서 약한 흡수대, 파란색 영역에서 약한 흡수선, 보라색 영역에서 완전 흡수, 알렉산드라이트는 빨간색 영역에서 흡수선, 황록색 영역에서 흡수대, 파란색 영역에서 1개의 흡수선, 보라색 영역에서 완전 흡수를 합니다. 이 세 가지 보석의 흡수 스펙트럼은 그림 3-9에 나와 있습니다.
(2) 철 이온 흡수 스펙트럼의 특성
철 이온은 보석마다 다른 색상을 생성하고 착색 효과가 강하지만 철 이온의 흡수 스펙트럼은 매우 다양합니다. 보석이 녹색일 때는 적색 영역 흡수를, 빨간색일 때는 청색 영역이 주를 이루는 흡수 특성을 나타내며, 주요 특징적인 흡수선은 녹색과 청색 영역에 위치합니다. 예를 들어 감람석의 철 이온은 올리브 녹색으로 나타나며 흡수 스펙트럼은 주로 청색 영역에서 453nm, 473nm, 493nm의 세 개의 좁은 흡수 대역을 보이며, 적색 알만딘은 업계에서 일반적으로 "철 창"이라고 부르는 황록색 영역에서 504nm, 520nm, 573nm의 세 개의 강한 좁은 흡수 대역이 있는 전형적인 철 흡수 스펙트럼을 갖습니다. 또한 423nm, 460nm, 610nm 및 680~690nm에 약한 흡수 좁은 밴드가 있으며, 옐로우 사파이어의 흡수 스펙트럼은 450nm, 460nm, 470nm의 청색 영역에 3개의 좁은 흡수 밴드가 있습니다(그림 3-10).
(3) 망간 이온의 흡수 스펙트럼 특성
망간 이온은 주로 보석에서 분홍색, 주황색 및 적색을 형성하며 흡수 스펙트럼은 주로 보라색 영역에서 강한 흡수를 보이고 자외선 영역으로 확장되며 파란색 영역에서 일부 흡수를 나타냅니다. 예를 들어, 핑크 로도크로사이트의 흡수 스펙트럼 특성은 410nm, 450nm, 540nm의 세 가지 흡수 대역을 가지고 있으며, 스페사르틴의 흡수 스펙트럼 라인은 주로 410nm, 420nm, 430nm의 세 가지 흡수 대역과 460nm, 480nm, 520nm의 흡수 라인을 가지고 있습니다. 때로는 504nm, 573nm의 두 흡수 라인이 있을 수도 있습니다(그림 3-11).
(4) 코발트 이온의 흡수 스펙트럼 특성
코발트 이온은 강한 착색 효과를 가지고 있으며, 일반적으로 보석에서 밝은 파란색으로 나타나며 흡수 스펙트럼은 주로 황록색 영역에서 세 개의 강하고 넓은 흡수 대역을 나타냅니다. 지각에 코발트 함량이 낮기 때문에 코발트 이온으로 착색된 천연 보석은 거의 없습니다. 코발트 이온의 흡수 스펙트럼은 합성 블루 스피넬 및 코발트 유리와 같은 합성 보석도 나타냅니다. 합성 블루 스피넬은 황록색과 주황색-노란색 영역에서 3개의 강한 흡수대를 가지며 녹색 영역 흡수대가 가장 좁고, 코발트 유리의 흡수선은 주로 황록색과 주황색-노란색 영역에서 3개의 강한 흡수대를 가지며 노란색 영역 흡수대가 가장 좁습니다(그림 3-12).
3. 희토류 원소 색소
미량 희토류 원소가 보석의 색상에 미치는 영향에 대한 연구가 점점 더 심도 있게 진행되고 있습니다. 희토류 원소의 색상은 더 선명하고 물리화학적 특성도 매우 안정적입니다. 인회석과 형석과 같은 희토류 원소도 천연 보석에 색을 입힐 수 있습니다. 합성 보석과 최적으로 처리된 보석에 다양한 희토류 원소를 첨가하여 세륨의 노란색, 네오디뮴의 파란색 등 다양한 색상의 보석을 얻을 수 있습니다.
보석을 착색하는 희토류 원소는 주로 화학 원소 주기율표의 란타나이드와 악티나이드 원소이며, 이들이 생성하는 색상은 표 3-7에 나와 있습니다.
표 3-7 일반적인 보석에 포함된 희토류 원소와 그 색상
| 요소 기호 | La | Ce | Nd | 홍보 | Dy | Sm | Er | Tm | U |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 전체 이름 | 란탄 | Cerium | 네오디뮴 | 프라세오디뮴 | 디스프로슘 | 사마륨 | Erbium | 툴륨 | 우라늄 |
| 색상 | 무색 | 노란색 | 파란색 | 녹색 | 밝은 노란색 | 밝은 노란색 | 핑크 | 연한 녹색 | 실버-화이트 |
희토류 원소는 특징적인 흡수 스펙트럼을 가지고 있으며, 종종 독특한 미세한 선을 형성합니다. 예를 들어 노란색 인회석에는 종종 희토류 원소인 Ce가 포함되어 있으며, 노란색 영역에 특징적인 흡수 미세선이 있습니다. 그러나 우라늄은 밝은 노란색을 생성하지 않고 뚜렷한 흡수 스펙트럼 선을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 녹색 지르콘에는 다양한 색상 영역에서 10개 이상의 흡수선이 나타날 수 있습니다(그림 3-13).
크리스탈 결함 및 컬러 센터에서 생성되는 섹션 III 색상
자연에서 광물은 결정화 정도에 따라 결정과 비결정으로 나뉩니다. 루비, 사파이어, 다이아몬드, 에메랄드, 석영과 같은 대부분의 보석은 결정체이며 호박, 산호와 같은 일부 유기 보석은 비결정성입니다. 결정 구조는 내부 입자(원자, 이온 또는 분자)가 3차원 공간에서 규칙적인 주기적 패턴으로 배열된 격자 구조를 가지며, 결정은 자발적으로 다면체 모양을 형성할 수 있고 비결정은 유리, 송진, 수지와 같이 다면체 모양을 형성하지 못하는 비격자 구조를 가진 무정형체입니다.
결정과 비정질 고체의 차이를 보여주는 가장 대표적인 예는 석영과 유리입니다. 천연 석영은 용융된 물질인 SiO로 형성됩니다.2 지각 내의 구멍에서 냉각되는 마그마에서 생성됩니다. 일반적인 석영 구의 바깥층은 마노로 결정 모양이 보이지 않는 반면, 안쪽 층은 석영의 결정 모양을 나타냅니다. 유리와 석영의 주요 화학 성분은 SiO2석영은 실리콘과 산소 이온이 질서정연하게 배열된 결정이고, 유리는 그림 3-14와 같이 실리콘과 산소 이온이 무질서하게 배열되어 규칙성이 결여된 비정질 고체입니다.
대부분의 보석 결정은 루비, 에메랄드, 전기석과 같은 불순물 이온으로 인해 착색됩니다. 일부 보석은 발색단 이온이 없더라도 결정 구조의 결함으로 인해 착색됩니다. 자연에서 생산된 천연 보석은 방사선 조사나 이온화 등의 외부 조건으로 인해 결정 구조가 변하면서 색이 변할 수 있습니다. 가장 일반적인 예는 스모키 쿼츠인데, 이는 방사선으로 인한 빈 공간에서 색 중심이 형성되어 색이 변하는 것입니다. 인공적으로 방사선을 조사한 스모키 쿼츠는 천연 스모키 쿼츠와 형성 원리가 비슷하지만 인공 방사선이 색을 빠르게 생성한다는 점이 다릅니다.
1. 크리스탈 결함 및 유형
보석 결정 구조의 국부적인 범위 내에서 입자의 배열이 격자 구조 규칙(입자는 3차원 공간에서 주기적으로 병진 반복을 겪음)에서 벗어나는 현상을 격자 결함이라고 합니다. 원인은 보석 결정 내 입자의 열 진동, 외부 스트레스, 고온 및 압력, 방사선 조사, 확산, 이온 주입 및 기타 조건과 관련이 있습니다.
예를 들어, 상부 맨틀의 고온 고압 환경에서 결정화된 다이아몬드는 모체 마그마(킴벌라이트 또는 람프로이트)에 의해 지구 표면 근처로 빠르게 운반될 때 온도와 압력 조건의 급격한 변화와 결정과 주변 암석 간의 상호 충돌로 인해 침입 다이아몬드 결정의 구조에 국부적인 변화가 쉽게 발생하여 원래 무색인 다이아몬드의 색이 변하여 갈색, 노란색, 갈색, 핑크색 다이아몬드가 형성되는 격자 결함이 발생할 수 있습니다.
크리스탈 결함의 존재는 크리스탈의 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 실제로 결정에는 어느 정도 결함이 있습니다. 적당한 양의 특정 점 결함은 반도체 재료의 전도도와 발광 재료의 발광을 크게 향상시켜 유익한 역할을 할 수 있습니다. 반대로 전위와 같은 결함은 소재를 파손하기 쉽게 만들어 격자 결함이 거의 없는 결정의 인장 강도를 그 일부로 감소시킬 수 있습니다.
이상적으로 완벽한 결정에서 원자는 공간의 특정 지점에서 규칙적이고 주기적인 격자로 엄격하게 배열되어 있습니다. 그러나 실제 결정이 성장하고 형성되는 과정에서 온도, 압력, 매질 성분 농도 등 성장 환경의 영향으로 인해 성장 후 결정 형태가 이상적인 결정 구조에서 벗어나는 경우가 있습니다. 이상적인 결정 구조에서 벗어나는 것을 결정 결함이라고 할 수 있습니다. 결정 결함은 결정의 물리적 및 화학적 특성에 큰 영향을 미치며, 재료 과학의 이온 도핑과 같은 많은 분야가 결정 결함과 관련이 있습니다. 보석의 색은 보석 내부의 결정 결함과 크게 관련이 있습니다. 이것이 바로 보석의 색을 만드는 원인 중 하나인 색 중심입니다.
결정 구조 결함에는 여러 유형이 있으며, 3차원 공간에서의 분포 정도에 따라 점 결함, 선 결함, 표면 결함, 부피 결함의 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
(1) 포인트 결함
다른 원자가 이상적인 결정의 일부 원자를 대체하거나, 일부 원자가 도핑되거나, 공백이 생깁니다. 결정의 일부 원자는 외부 원자로 인해 대체되거나 누락되며, 이러한 변화는 결정의 규칙적인 격자의 주기적 배열을 방해하여 입자의 전위장에 변화를 일으키고 특정 위치로 제한되어 인근 원자 몇 개에만 영향을 미치는 결정 구조의 불완전성을 초래합니다. 점 결함이 결정에 미치는 영향은 미미하며 일반적인 점 결함 유형에는 격자 위치 결함, 구성 결함 및 전하 결함이 포함됩니다(그림 3-15).
(2) 회선 결함
선 결함은 두 방향에서 크기가 매우 작고 주로 다른 방향으로 더 길게 뻗어 있습니다. 1차원 결함이라고도 하며 주로 다양한 전위로 구성됩니다. 전위는 특정 원자 평면을 따라 국부적인 격자 미끄러짐의 산물로 볼 수 있습니다. 슬립은 격자 전체를 관통하지 않고 격자 내에서 결정 결함이 종료되어 격자의 슬립된 부분과 슬립되지 않은 부분 사이의 경계에서 입자의 무질서한 배열을 야기하는데, 이를 전위라고 합니다. 이 경계, 즉 미끄러진 부분과 미끄러지지 않은 부분 사이의 교차선을 전위선이라고 합니다. 전위에는 두 가지 기본 유형이 있습니다. 결정이 압축력을 받을 때 입자 슬립 평면은 슬립되지 않은 평면과 전위선을 형성하고 전위선은 슬립 방향에 수직이며 쐐기 전위라고도 하는 모서리 전위, 전단 응력으로 인해 평면 사이에 슬립이 발생하고 결정의 슬립 부분에서 교차하는 전위선은 슬립 방향과 평행하며 나사 전위라고 합니다(그림 3-16 참조).
(3) 표면 결함
가장 단순한 표면 결함은 적층 결함으로, 내재적 적층 결함(결정 평면이 제거된 경우)과 외재적 적층 결함(원자 층이 결정에 삽입된 경우)으로 나뉩니다. 이러한 결함은 격자를 따라 특정 평면의 양쪽 또는 결정립 사이에서 몇 원자 간격의 범위 내에서 발생합니다. 주로 소각 결정립 경계, 도메인 벽, 쌍둥이 및 입자 간 경계와 같은 결정 내부 및 결정 사이의 스태킹 결함 및 계면이 포함됩니다.
(4) 볼륨 결함
체적 결함은 세 방향 모두에 다양한 정도로 존재하는 결함을 말하며, 임베디드 균열, 메쉬 구조, 가족 구조, 쌍둥이 및 다양한 보석 내포물과 같은 3차원 결함입니다.
2. 젬스톤의 색상 센터
컬러 센터는 격자 결함의 특수한 경우로, 일반적으로 가시광선 에너지를 선택적으로 흡수하여 색상을 생성할 수 있는 보석의 격자 결함을 말하며 가장 일반적인 구조적 색상 유형에 속합니다. 경우에 따라 색을 생성하는 짝을 이루지 않은 전자는 비전이 원소 이온이나 전자 부족으로 인해 형성된 결정 결함에서도 나타날 수 있는데, 이것이 바로 컬러 센터입니다. 이온 결정의 점 결함은 가시광선을 흡수하여 원래 투명한 결정이 착색된 것처럼 보이게 할 수 있으며, 가시광선을 흡수할 수 있는 이러한 유형의 점 결함을 일반적으로 컬러 센터라고 합니다. 보라색 형석, 스모키 크리스탈, 녹색 다이아몬드 등 많은 종류의 천연 보석은 컬러 센터에서 색상을 생성합니다.
보석의 최적화 처리 과정에서 일부 천연 및 인공 보석에는 방사선에 의해 색이 변하는 파란색, 노란색, 빨간색, 녹색 다이아몬드, 파란색 토파즈와 같은 방사선에 의해 생성 된 색상 중심이있을 수 있으며, 그중 일부 색상은 비교적 안정적이고 가열해야만 사라지는 색상과 불안정하고 상온에서도 퇴색 할 수있는 색상도 있습니다. 이러한 유형의 색을 유발하는 색 중심은 녹색 다이아몬드와 같이 보석의 결정 구조와 밀접한 관련이 있으며, 색의 원인은 결정 구조에 공극이 존재하지만 이러한 구조적 결함은 조사로 제거하여 다이아몬드를 무색으로 만들 수도 있습니다. 보석의 일반적인 컬러 센터 유형은 "전자 컬러 센터"와 "홀 컬러 센터"입니다.
(1) 전자 색상 센터(F 센터)
전자 컬러 센터는 보석의 결정 구조에서 음이온 공백으로 인한 결정 결함의 빈 공간에 전자가 존재할 때 형성되는 컬러 센터입니다. 음이온이 없으면 이 공극은 전자를 가두는 양전하를 띤 전자 트랩이 됩니다. 공극이 전자를 포획하여 그 공극에 결합하면 전자는 여기되어 특정 파장의 에너지를 선택적으로 흡수하여 색을 띠게 됩니다. 따라서 전자 색 중심은 음이온 공석과 해당 공석의 전기장에 결합된 전자로 구성됩니다.
보라색 형석은 전자 색상 센터에서 생성되는 색상입니다. 형석(CaF2)는 아이소메트릭 결정계에 속하며, 각 Ca2+ 두 개의 F– [그림 3-17 (a)]. 경우에 따라 F– 가 정상 위치를 벗어날 수 있습니다. 원래의 F– 위치를 차지하며, 결정의 전기적 중성을 유지하려면 음전하를 띤 개체가 이 빈자리를 차지해야 합니다. 결정의 특정 원자로부터 나온 전자가 이 빈자리를 차지하는 음전하를 띤 개체가 됩니다[그림 3-17 (b)]. 이렇게 하면 전자 색 중심이라고 하는 "색 중심"이 생성됩니다. 형석에서 전자 색 중심은 가시광선을 흡수하여 보라색을 생성합니다.
(2) 홀 컬러 센터(V 센터)
공백 색 중심은 양이온이 전자 공백을 만드는 외부 요인에 의해 형성됩니다. 즉, 전자가 원래 위치에서 방출되어 짝을 이루지 않은 전자가 남게 됩니다. 색이 생기는 이유는 결정에 양이온 공극이 형성되면 전하 균형을 이루기 위해 양이온 공극 근처의 음이온이 외부 에너지의 영향을 받아 전자를 방출하여 가시광선을 흡수하고 색을 생성하는 비쌍을 이루는 전자를 형성하기 때문입니다. 예를 들어, 방사선을 조사한 다이아몬드와 블루 토파즈에서 방사선은 전자를 활성화하는 에너지를 제공하여 격자의 이온이나 원자를 변위시켜 방사선으로 인한 구조적 결함 및 색 중심을 형성합니다.
크리스탈의 색 중심을 나타내는 대표적인 예는 스모키 크리스탈의 착색입니다. 석영의 결정 구조는 그림 3-18(a)의 2차원 구조도에서 볼 수 있듯이 실리콘이 4좌표 상태인 실리콘-산소 사면체입니다. 10,000 Si4+ 원자는 하나만 Al로 대체됩니다.3+그리고 Al3+ Si를 대체하는4+ 결정에서 Al3+ 은 일부 알칼리 이온(예: Na+ 또는 H+)을 사용하여 전기적 중립성을 유지합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 이온은 종종 알카리성 이온(Al3+.
석영에 X-선, γ선 및 기타 방사선원이 조사되면 인접한 산소 원자의 에너지가 Al3+ 가 증가하여 쌍의 전자 중 하나가 정상 위치에서 방출될 수 있습니다. H+ 는 이 전자를 포획하여 H 를 형성합니다. 고에너지 방사선은 O2- 원자가 전자를 더 많이 방출하여 [A1O4]4- 공백 색상 센터 및 [A1O4]4- 원자 클러스터는 가시광선을 흡수하여 색상을 생성하여 스모키 쿼츠를 형성합니다.
[A1O4]5-→ [A1O4]4-+e– (3-1)
H+ +e–→ H (3-2)
H+ 는 전자를 포획하여 무색이며 가시광선을 흡수하지 않는 H가 됩니다. 조사 강도가 높고 충분한 Al3+ 결정에서 쿼츠는 검은색으로 조사될 수 있습니다. 전자가 방출되는 위치에 공백이 있는 경우가 많기 때문에 이러한 유형의 색 중심을 "공백 색 중심"이라고 합니다.
지질 역사에서 천연 스모키 크리스탈은 대부분 방사성 물질의 장기간 저선량 방사선을 통해 형성됩니다. 이 연기가 자욱한 결정을 약 400℃까지 가열하면 방출된 전자가 원래 위치로 돌아가 모든 전자가 짝을 이루어 석영이 다시 무색이 되고, 다시 방사선을 조사하면 다시 연기가 자욱하게 변할 수 있습니다[그림 3-18 (b)].
자수정은 공백의 색 중심은 동일하지만 불순물은 알루미늄이 아닌 철입니다. 불순물인 Fe 3+ Si를 대체합니다.4+ 석영에 고에너지 광선을 조사하면 다음과 같은 변화가 일어납니다:
[FeO4]5- → [FeO4]4- +e– (3-3)
H+ +e–→ H (3-4)
스모키 크리스탈의 형성 원리와 유사하게, [FeO]의 형성으로 보라색을 생성합니다.4]4- 조사 후 구멍의 색이 중심을 이룹니다. 이 자수정을 가열하면 노란색으로 변하여 황수정이 되고, 더 가열하면 무색으로 변합니다. 일반적으로 가열 온도는 400℃ 정도로 비교적 낮습니다. 열처리된 자수정의 보라색은 다시 색 중심을 조사하여 복원할 수 있습니다. 합성 자수정도 이 원리를 바탕으로 합성됩니다.
일부 보석에서는 몇 개의 불순물 원자 클러스터가 색 중심을 형성하고 색을 나타낼 수도 있습니다. 예를 들어, 베릴이 성장하는 동안이나 방사능 조사를 받는 경우입니다, 는 전자를 잃고 , 이 되어 청색을 생성하는 적녹색 흡수대를 형성할 수 있습니다. 다이아몬드에는 많은 색상 중심이 있으며, 대부분은 외부 조건에서 구조에 공극이나 전위가 형성되어 발생하며 일반적으로 색상은 매우 안정적입니다.
색 중심 유도 색상은 분광학, 전자기 공명 등 다양한 기법이 필요하기 때문에 연구 난이도가 비교적 높습니다. 이전 연구에 따르면 색 중심 유도 색의 몇 가지 전형적인 특성은 비교적 명확합니다. 표 38은 일반적인 보석의 색 중심 유도 색의 색상과 원인을 요약한 것입니다.
표 3-8 일반적인 보석의 색 중심 유도 색상의 색상 및 원인
| 보석의 종류 | 색상 | 원인 |
|---|---|---|
| 다이아몬드 | 녹색 | 다이아몬드의 탄소 공극 GR1 컬러 센터 |
| 노란색 | 다이아몬드 N3 골재의 누락된 구조 | |
| 오렌지 | Natoms 및 H3, H4 색상 중심 결함 | |
| 크리스탈 | 스모크 색상 | Al에서 생성된 공석3+ Si 대체4+ 방사선 관련 |
| 노란색 | Al 관련3+방사선에 의해서도 생성될 수 있습니다. | |
| 보라색 | Fe3+ 에 의해 생성된 공석을 대체합니다.4+ | |
| 커런덤 보석 | 노란색 | 색상이 불안정하고 구조적 결함의 원인을 알 수 없습니다. |
| 토파즈 | 파란색 | 색상이 안정적이며 구조적 결함의 원인을 알 수 없습니다. |
| 노란색 | 색상이 안정적이며 구조적 결함의 원인을 알 수 없습니다. | |
| 갈색을 띤 빨간색 | 색상이 불안정하고 구조적 결함의 원인을 알 수 없습니다. | |
| 토르말린 | 빨간색 | Mn 관련3+ 방사선에 의해서도 발생할 수 있습니다. |
| Beryl | 파란색 | CO 관련32- 방사선 조사로 인해 발생할 수도 있습니다. |
| 형석 | 보라색 | 전자 전자- 를 F-로 대체하여 |
컬러 센터의 원리는 보석 강화에서 천연 보석의 색상을 개선하는 데에도 사용됩니다. 대부분의 방법은 광선을 조사하여 보석의 색상을 변경합니다. 일부 색상 중심은 비교적 안정적이지만 일부 보석 품종은 빠르게 퇴색하므로 이러한 보석에는 이 강화 방법이 적합하지 않습니다. 표 3-9에는 안정적인 색 중심, 불안정한 색 중심 및 기타 가능한 요인에 의해 생성되는 색을 포함하여 색 중심이 생성하는 몇 가지 색상이 나열되어 있습니다.
표 3-9 컬러 센터에서 생성되는 색상
| 기본적으로 빛에 안정적입니다. | 자수정, 형석(보라색-빨간색), 방사선 조사 다이아몬드(녹색, 노란색, 갈색, 검은색, 파란색, 분홍색), 일부 천연 또는 방사선 조사 토파즈(파란색) |
|---|---|
| 빛이 있으면 빠르게 사라짐 | 리튬 세슘 그린 베릴(진한 파란색), 일부 방사선 조사 토파즈(갈색 또는 황갈색), 방사선 조사 사파이어(노란색), 자외선 조사 보라색 소달라이트(보라색-빨간색) |
| 색상 센터가 생성할 수 있는 기타 색상 | 실빈(파란색), 할라이트(파란색 또는 노란색), 지르콘(갈색), 방해석(노란색), 중정석, 셀레스틴(파란색), 아마조나이트(파란색~녹색) |
