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보석 최적화는 어떻게 하나요? 5가지 방법 및 장비 가이드 잠금 해제
보석 최적화 방법 및 주요 사용 장비
보석에는 다양한 최적화 처리 방법이 있으며, 과학과 기술의 발전으로 이러한 방법은 지속적으로 개선되고 업데이트되고 있습니다. 가장 전통적인 최적화 방법으로는 열처리, 염색 및 착색, 무색 오일 침지, 표면 코팅 등이 있습니다. 예를 들어, 고대에 사람들은 열을 가하면 마노의 색을 향상시킬 수 있고, 다른 염료에 마노를 넣으면 다양한 색상으로 염색할 수 있다는 것을 일찍이 인식했습니다. 이러한 방법은 알려져 있었지만 당시에는 우연히 발견되는 경우가 많았습니다. 다이아몬드, 루비, 사파이어, 토파즈, 베릴, 석영 등 보석 결정과 진주, 호박 등 유기 보석의 물리적 특성과 색상 생성 메커니즘을 점차적으로 파악한 후에야 전통적인 분야를 돌파하고 새로운 최적화 처리 방법을 개발할 수 있었습니다.
현재 보석의 주요 최적화 처리 방법에는 물리화학적 처리, 열처리, 방사선 조사 처리, 고온 및 고압 처리, 레이저 처리 등이 있습니다. 보석 최적화 처리에서 가장 널리 사용되는 방법은 열처리로, 루비, 사파이어, 경옥, 칼세도니 등 미량 불순물 원소에 의해 착색된 보석의 색상을 개선하는 것입니다. 방사선 조사 방식은 주로 색 중심이 있는 보석의 색상을 개선하는 방법으로, 방사선을 조사하여 보석의 구조적 구성에 결함을 일으켜 색 중심을 형성하고 보석의 색상을 변화시킵니다. 물리화학적 처리는 염색과 같은 보다 전통적인 최적화 방법으로, 일반적으로 다양한 염료를 사용하여 보석을 착색합니다. 필요한 장비가 간단하고 조작이 편리하지만 개선된 보석은 불안정하고 퇴색하기 쉽습니다. 고온 고압 처리는 현재 다이아몬드를 처리하는 방법으로 고온과 고압을 통해 색상을 변화시키는 방법입니다. 레이저 치료는 주로 다이아몬드의 색상과 선명도를 개선하기 위해 국소적인 치료에 사용됩니다.
스테인드 석영
목차
섹션 I 보석 화학 처리 방법
보석의 물리적, 화학적 처리 방법에는 염색 및 착색, 표백, 오일 침지, 사출 충전, 본딩, 코팅, 백킹, 레이어링 및 인크러스팅과 같은 일반적인 관행이 포함되며 오랜 역사를 가지고 있습니다. 그 중 염색은 고대로 거슬러 올라가는 보석의 색상을 개선하는 전통적인 방법입니다. 역사 기록에 따르면 기원전 1300년경 이집트 무덤에서 염색된 붉은 마노가 발견되었다고 합니다. 전통적인 개선 방법은 단순하기 때문에 균열이 많은 대부분의 구조적으로 느슨한 비정질 또는 단결정 보석에 적용할 수 있습니다. 시중에 판매되는 많은 염색 원석은 천연 원석을 가장한 것이 많기 때문에 염색 및 기타 착색 방법으로 처리된 원석을 식별해야 합니다. 염색은 처리 방법의 특성에 따라 화학적 처리와 물리적 처리로 분류됩니다.
화학적 처리 방법은 보석의 성분과 화학적으로 반응하는 일정량의 화학 시약을 첨가하여 화학 시약의 착색 성분이 보석 내부로 들어가거나 보석의 균열로 스며들어 보석의 색상을 변화시키는 것을 말합니다. 화학 처리 과정에서 보석의 성분이 아닌 다른 물질을 첨가해야 합니다. 이 최적화 처리 방법은 가공의 한 형태이며, 보석을 판매할 때 반드시 라벨을 부착해야 합니다. 일반적인 화학 처리 방법에는 염색, 착색, 표백, 사출 충전 등이 있습니다.
1. 염색 및 착색
염색과 착색의 과정과 원리는 사용되는 염료만 다릅니다. 염색은 유기 염료를 사용하고 착색은 무기 안료를 사용합니다. 염색과 착색은 보석에 착색 물질을 침투시켜 보석의 색상을 향상시키거나 변화시키는 원리는 동일합니다. 유기 염료는 더 선명하지만 안정성이 떨어지고 시간이 지나면 변색되는 반면, 착색에 사용되는 화학 시약은 천연 보석과 색이 비슷하고 안정성이 좋아 변색이 덜합니다. 현재 대부분의 보석은 무기 안료를 사용하여 착색됩니다.
(1) 재료, 염료 및 용제에 대한 요구 사항
염색과 착색 방법은 처리 과정이 비슷하여 최소한의 장비만 필요하며, 용기에 잠시 담가두면 충분합니다. 색상이 보석에 스며들게 하려면 공정 중에 가열이 필요하며 일반적으로 가열 온도가 낮습니다. 염색과 착색은 주로 색이 밝고 구조가 느슨한 보석 소재에 사용됩니다. 염색 및 착색의 효과는 보석 소재, 선택한 염료 및 안료, 착색 용제 등 여러 조건에 따라 달라지며, 구체적인 요구 사항은 다음과 같습니다.
보석 재료에 대한 요구 사항
첫째, 산, 염기 및 열에 대한 내성이 있어야 합니다. 염색할 보석 재료는 염색 전에 산이나 알칼리로 세척해야 하며, 염색 과정에서 가열이 필요하고 때로는 일정 시간 동안 끓여야 하는 경우도 있습니다.
둘째, 처리할 재료는 착색제가 보석 재료에 침투할 수 있도록 일정한 다공성을 가져야 합니다. 경옥, 연옥, 칼세도니, 마노, 대리석과 같은 소재는 비교적 염색하기 쉽습니다.
비다공성 보석의 경우 착색제가 결정에 들어갈 수 있도록 인공적인 기공이나 균열을 만들어야 합니다. 예를 들어, 석영 폭발 방법은 먼저 석영을 가열하고 담금질하여 매우 작은 균열을 만든 다음 염색 또는 착색하여 빨간색 또는 녹색 석영을 얻을 수 있습니다(그림 4-1).
착색제(염료 및 안료 포함) 요건 ② 착색제 요건
먼저 보석의 특성에 따라 적절한 염료나 안료를 선택하세요. 보석을 염색할 때는 착색제의 색상이 보석 본연의 색상에 가까워야 합니다. 유기 염료로 염색 한 보석은 색상이 많고 매우 밝지 만 "가짜"느낌을주고 안정성이 좋지 않아 쉽게 퇴색하며, 무기 안료의 색상은 종종 천연 보석에 더 가깝고 안정성이 좋으며 퇴색하기 쉽지 않으므로 일반적으로 사람들은 일반적으로 무기 안료를 선택합니다. 착색제를 선택할 때는 변색되지 않는 것을 선택하세요. 유기 염료, 특히 아민 염료는 퇴색하기 쉬우므로 신중하게 사용해야 합니다.
둘째, 보석 내부의 특정 원소와 화학적으로 반응할 수 있거나 보석 재료의 기공에 흡착할 수 있는 착색제를 선택합니다. 일반적인 염료로는 크롬염, 철염, 망간염, 코발트염, 구리염 등이 있습니다.
착색 용제 요구 사항 ③ 착색 용제 요구 사항
염료(착색제)를 이용한 염색에는 오일 염색과 물 염색의 두 가지 유형이 있습니다. 유염은 다양한 오일을 사용하여 염료를 녹이고, 물염은 물이나 에탄올과 같은 극성 분자를 용매로 사용하여 안료를 녹입니다. 염색 시에는 염료(안료)의 종류와 보석 소재의 흡착력에 따라 적절한 용매를 선택하는 것이 중요합니다.
- 비극성 분자 오일을 용매로 사용하는 것을 오일 염색이라고 합니다. 유색 오일(즉, 유기 염료를 녹이는 오일)은 일반적으로 루비와 에메랄드를 담그는 데 사용되어 유색 오일이 보석의 균열에 침투할 수 있도록 합니다.
- 물 염색은 주로 무기 안료에 사용되며, 안료를 물이나 알코올에 녹여 포화 용액을 만든 다음 전처리된 보석을 담급니다. 담금 시간은 일반적으로 오일 염색보다 길며, 원하는 색상을 얻기 위해 염료와 반응하는 화학 약품을 재가공에 사용하는 경우도 있습니다. 예를 들어 마노를 염색할 때 화학 반응을 유도하기 위해 다양한 화학 시약을 선택하고 그 결과 침전물이 보석의 균열을 관통하여 염색 후 색상을 안정화합니다.
(2) 보석의 염색 효과에 영향을 미치는 요인
보석 소재와 염료를 고려하는 것 외에도 염색 전 보석의 산 세척 처리, 염색 중 가열 온도, 염색 과정의 시간 등 다른 요소도 고려해야 합니다.
산성 세척 처리
보석 재료를 염색하기 전에 산성 세척을 통해 보석 표면의 노란색, 갈색 및 기타 혼합 색상을 제거하여 표면을 깨끗하게 유지해야 합니다. 산 세척 후에는 보석을 중화하기 위해 특정 알칼리성 용액을 선택해야 합니다. 염색을 위해 화학 반응 방법을 선택한 경우 침전물 생성에 필요한 조건을 고려해야 하며, 그렇지 않으면 반응을 진행할 수 없습니다. 산 세척 후에는 추가 처리 전에 오븐에서 건조하거나 자연 건조해야 합니다.
가열 온도 및 염색 처리 시간
염색 과정에서 일반적으로 가열은 보석의 균열에 염료가 침투하는 것을 촉진하기 위해 사용됩니다. 가열 온도와 염색 처리 시간은 보석의 최종 색상에도 영향을 미칩니다. 가열 온도가 높을수록 반응 속도가 빨라져 염색 시간이 짧아지고, 반대로 가열 온도가 낮을수록 더 나은 염색 효과를 얻기 위해 더 긴 시간이 필요합니다.
염색 및 착색 처리 공정은 간단하고 조작이 쉬우며 널리 사용됩니다. 균열이 있는 단결정 보석과 느슨한 구조를 가진 다결정 또는 암호결정 보석 재료에 적용할 수 있습니다. 일반적으로 염색 및 착색되는 보석에는 루비, 에메랄드, 마노, 칼세도니, 연옥, 시우얀 옥, 경옥, 진주, 아이보리, 오팔, 산호, 규암, 청록색 등이 포함됩니다.
(3) 염색된 보석의 식별 특성
염색된 보석은 밝은 색상을 가지며, 확대하면 균열이나 입자 사이를 따라 색상을 볼 수 있으며, 밀도가 높은 구조에서는 밝은 색상을, 느슨한 구조에서는 어두운 색상을 볼 수 있습니다. 예를 들어, 염색된 루비(그림 4-2)는 확대경으로 보면 루비의 균열에 색이 집중되어 있고 색 경계가 뚜렷한 현상을 보입니다.
2. 표백
표백은 일반적으로 경옥, 진주, 산호 등 표면 색상의 변화가 많은 옥이나 유기 보석에 사용됩니다. 표백제에는 일반적으로 염소 가스, 차아염소산 염, 과산화수소 및 아황산염이 포함됩니다. 햇빛에 노출되면 특정 보석이 퇴색할 수 있는데, 이는 햇빛에 의한 표백 효과일 수 있습니다. 과산화수소와 차아염소산 염은 보석 최적화 공정에서 일반적으로 사용되는 표백제입니다. 과산화수소와 햇빛은 종종 천연 진주나 양식 진주를 표백하는 데 사용되며, 특히 어둡거나 녹색을 띠는 진주를 희게 만들어 고품질의 천연 진주에 더 가깝게 만듭니다. 과산화수소와 차아염소산 염은 일반적으로 경옥과 같은 옥을 표백하는 데 사용되며(그림 4-3), 표백 후 표면의 노란색과 갈색 톤을 제거하여 경옥의 녹색이 더 잘 드러나도록 합니다.
표백 처리 후 옥의 구조가 손상되어 일반적으로 구조를 조밀하고 안정적으로 만들기 위해 주입하고 채워야 합니다. 진주나 산호와 같은 유기 보석은 표백 처리 후 충전 처리 없이 판매할 수 있으며 색상도 매우 안정적입니다. 표백 처리는 최적화 처리로 간주되어 보석 판매 시 라벨을 붙일 필요가 없으며, 천연 보석 이름을 그대로 사용하여 이름을 붙일 수 있습니다. 표백에 사용되는 보석은 경옥, 연옥, 서옥, 규암, 진주, 산호, 칼세도니, 규화목, 호랑이 눈입니다.
표백 처리 후 보석을 확대하면 주황색 껍질 또는 수로와 같은 구조가 나타나며, 광택 처리된 표면에 미세한 미세 균열이 보이고 내부 구조가 느슨해지며 불순물 없이 깨끗하고 밝은 색상을 띠게 됩니다. 표백 후 보석의 구조를 안정화하기 위해 필링 처리를 하는 경우가 많습니다.
3. 사출 충전
주입 충전은 특정 기술적 수단을 통해 보석의 균열에 액체 물질을 주입하는 처리 방법을 말합니다. 주로 구조적으로 느슨하거나 균열이 많은 보석 재료에 적합하며 무색 오일, 유색 오일, 수지, 왁스 또는 플라스틱과 같은 재료로 보석의 균열과 기공을 채워 구조를 더욱 견고하게 만들고 보석의 안정성을 개선하거나 보석의 색상을 변경하는 데 사용됩니다. 인젝션 충진은 무색과 유색으로 나눌 수 있으며, 주요 목적은 다음과 같습니다.
(1) 균열 덮기
천연 보석은 생산 시 많은 균열이 있는 경우가 많습니다. 수많은 균열은 보석의 외관과 안정성 모두에 영향을 미칩니다. 보석 재료의 균열, 기공 또는 입자 간 틈새에 무색 오일 및 기타 재료를 주입하여 균열을 숨길 수 있으므로 균열이 덜 눈에 띄게 하고 사용성과 경제적 가치를 높일 수 있습니다. 예를 들어 천연 에메랄드와 루비는 균열이 많은 경우가 많은데, 무색 또는 유색 오일을 주입하면 색상을 개선할 수 있습니다.
(2) 보석의 안정성 향상
구조적으로 느슨한 보석의 경우, 청록색과 에메랄드처럼 기공을 주입하고 채워서 더 단단하게 만들어 경도와 안정성을 높입니다.
(3) 보석의 색상 밝기 및 경제적 가치 향상
밝은 색상의 보석의 경우 컬러 오일, 컬러 왁스 및 기타 재료를 주입하면 구조를 강화할 뿐만 아니라 보석의 색상을 더욱 진하게 만들 수 있습니다.
청록색의 기공에 유색 물질을 주입한다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 경도를 높이고 빛의 산란을 줄여 색상을 깊게 하고 경도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
사출 충전 방식으로 개선할 수 있는 보석에는 루비, 사파이어, 에메랄드, 청록색, 청금석, 오팔, 베릴, 석영, 옥 등이 있습니다.
사출 충진 후 보석을 확대하면 충진 위치의 투명도와 광택이 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 무색 오일로 채워진 에메랄드(그림 4-4)는 충전 부위의 투명도와 광택이 천연 에메랄드보다 현저히 낮다는 것을 보여줍니다. 유색 오일을 충전에 사용하면 균열 부위의 색이 더 짙어집니다. 충전 부위에서 기포가 보이고 적외선 분광기 테스트를 통해 천연 보석보다 굴절률과 밀도가 낮은 충전 재료의 특징적인 적외선 흡수 스펙트럼을 확인할 수 있습니다.
섹션 II 보석의 물리적 처리 방법
보석의 물리적 처리 방법도 널리 사용되는데, 이는 보석을 다른 재료와 결합, 접합 및 기타 기술을 통해 수정하여 전체적인 인상을 만드는 것을 말합니다. 일반적인 물리적 처리 방법에는 표면 코팅, 도금, 인크러스팅, 레이어링, 백킹, 접합 등이 있습니다.
1. 표면 코팅
보석의 표면이나 바닥에 컬러 호일("호일 처리"라고도 함)을 입히거나 보석의 전체 또는 일부 면에 페인트를 사용하여 코팅하면 색상이 변경되어 외관이 달라집니다. 예를 들어, 가장 간단한 코팅은 다이아몬드 표면에 파란색 잉크로 표시하는 것으로, 잉크의 색으로 인해 다이아몬드의 외관을 개선할 수 있습니다. 밝은 노란색 다이아몬드의 바닥에 파란색 필름 층을 적용하면 색상 등급을 향상시킬 수 있습니다. 이 처리 방법은 일반적으로 다이아몬드, 토파즈, 크리스탈, 산호 및 진주에 사용됩니다.
현재 가장 일반적인 코팅 방법은 무색 또는 밝은 색상의 토파즈나 크리스탈에 유색 코팅을 입히는 것으로, 다양한 색상을 연출할 수 있습니다. 대부분의 경우 추가된 색상은 보석의 표면에만 존재합니다. 이 코팅이 적용된 보석은 코팅된 표면이 바닥과 다른 색을 띠는 경우가 많고 표면 코팅의 경도가 낮아 스크래치가 많이 보이기 때문에 식별하기 쉽습니다.
2. 표면 도금
과학 기술의 발달과 함께, Surface 도금 은 무색 또는 밝은 색의 보석 표면에 컬러 필름을 입혀 보석의 색상을 변화시키는 방식으로 점차 발전해 왔습니다. 이 처리 방법은 일반적으로 다이아몬드, 토파즈, 크리스탈 등에 사용됩니다. 다이아몬드 코팅은 다이아몬드 위에 매우 얇은 합성 다이아몬드 층을 입힌 다이아몬드 필름으로, 광택이 강하고 경도가 높아 다이아몬드와 매우 유사해 보입니다. 금속 산화물 필름 층은 종종 밝은 색의 토파즈 또는 크리스탈 위에 코팅되며(그림 4-5), 표면이 무지개처럼 보입니다. 하지만 확대하면 스크래치가 보일 수 있으며 시간이 지남에 따라 표면이 부분적으로 벗겨질 수 있습니다.
3. 과성장
오버그로스란 합성 또는 천연 보석의 표면에 합성 방법을 사용하여 자란 보석의 층을 말합니다. 이 오버그로스 원석은 두께가 다양할 수 있습니다. 수용액에서 자란 보석과 엄격하게 구분하기는 쉽지 않습니다. 예를 들어, 합성 에메랄드 층이 에메랄드 또는 베릴 조각 위에서 자라나 천연 에메랄드와 합성 에메랄드의 특성을 모두 나타낼 수 있습니다. 오버그로스 원석을 식별할 때는 원석의 상층과 하층 사이의 접합 부위, 색상 차이, 내포물 특성을 관찰해야 합니다.
4. 중간층 및 기판
그리고 Inter층과 기질을 다양한 방법으로 결합하여 전체 보석을 형성하여 천연 보석의 모양, 색상 및 모양을 향상시킵니다. 기질은 주로 황색을 띠는 다이아몬드와 같이 밝은 보석의 색상을 개선하는 데 사용되며, 바닥에 파란색 기질 층을 추가하면 다이아몬드의 색상 등급을 향상시킬 수 있습니다. 이 층은 일반적으로 3중 복합 스톤에 사용되며, 예를 들어 상층은 천연 연한 녹색 에메랄드이고 하층은 무색 또는 연한 녹색 베릴이며 가운데에 녹색 층이 있어 에메랄드의 색상을 향상시킵니다.
5. 합성
합성석은 여러 가지 보석이나 재료를 서로 다른 방식으로 조합한 것입니다. 일반적인 합성 스톤에는 2레이어 및 3레이어 합성 스톤이 있습니다. 컴포지트는 일반적인 물리적 강화 방법이며 널리 사용됩니다. 복합 처리를 통해 보석의 색상과 외관을 개선할 수 있습니다. 일반적인 합성 보석에는 에메랄드, 루비, 가넷, 오팔, 다이아몬드 등이 있습니다(그림 4-6). 복합 보석의 식별은 주로 확대 검사를 사용하여 보석의 복합 이음새, 다른 층 간의 색상 및 광택 차이, 복합 이음새 사이의 기포에 주의를 기울입니다.
섹션 III 열처리 방법
열처리는 보석 최적화를 위해 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 열처리를 위해 다양한 가열 온도와 산화 환원 분위기를 선택하여 열을 제어할 수 있는 장비에 보석을 넣어 보석의 색상, 투명도, 선명도를 개선합니다. 열처리는 보석의 미적, 경제적 가치를 향상시켜 보석 속에 잠재된 아름다움을 드러낼 수 있으며, 보석 최적화를 위해 조작하기 쉽고 널리 사용되는 방법으로 최적화라고 분류됩니다. 보석 명명법에서 천연 보석 이름을 사용하여 직접 이름을 붙일 수 있습니다.
1. 열처리 장비
보석에 열처리를 하려면 먼저 보석을 가열하기 위한 특정 장비가 필요합니다. 열처리 장비는 열처리 역할에 따라 주 장비와 보조 장비의 두 가지 주요 부분으로 나눌 수 있습니다.
1.1 기본 장비
열처리를 위한 주요 장비는 가열 장비로, 열처리 용광로와 가열 장치의 두 가지 범주를 포함합니다. 실험실에서 일반적으로 사용되는 열처리로에는 일반 열처리로(저항로, 소금로, 연료로), 제어 분위기로, 진공 열처리로 등이 있습니다. 가열 장치에는 레이저 가열 장치와 전자빔 가열 장치가 포함됩니다.
보조 장비에는 제어 대기 장치(가스 발생기, 암모니아 분해 장치, 진공 시스템 등), 전력 장비(배전반, 송풍기 등), 측정 장비(온도계, 압력계, 유량계, 자동 제어 장치 등), 도가니 및 세척 냉각 장비 등이 포함됩니다.
(1) 일반 열처리로
일반 열처리로는 주로 열처리에 일반적으로 사용되는 저항로, 염 용해로, 연료로 등을 말합니다.
저항로
저항로는 발열체(와이어, 탄화규소, 규화몰리브덴, 산화코발트 등)로 구성됩니다. 실험실에서 일반적으로 사용되는 유형은 박스 퍼니스와 튜브 퍼니스입니다.
- 박스형 저항로: 박스형 저항로는 작동 온도에 따라 고온, 중온, 저온으로 분류되는 박스 형태의 챔버(그림 4-7)를 갖추고 있습니다. 우리나라에서 제조되는 박스형 저항로는 저온 용도를 제외하고는 표준화되어 있으며, 대신 다양한 항온 박스가 사용됩니다.
고온 박스형 저항로는 주로 커런덤, 루비, 사파이어, 지르콘과 같은 고융점 보석의 색상 개선에 사용되며 일반적인 가열 온도는 1000℃ 이상입니다.
중온 박스 퍼니스는 중저온 색상 변경이 필요한 사파이어, 토파즈, 크리스탈, 탄자나이트와 같은 보석을 열처리하는 데 주로 사용되며, 열처리 온도는 일반적으로 650°C~1000°C 범위에서 이루어집니다.
저온 열처리로는 주로 진주, 산호, 오팔 등과 같이 유기 보석과 구조에 수분을 함유한 보석에 사용됩니다.
박스형 저항로는 구조가 간단하고 조작이 쉬우며 비용이 저렴하여 실험실에서 필수적인 장치입니다. 박스형 저항로의 장점은 높은 가열 온도, 넓은 내부 공간, 한 번에 여러 시료를 수용할 수 있다는 점입니다. 그러나 이러한 유형의 열처리로는 낮은 열효율, 느린 가열, 고르지 않은 퍼니스 온도와 같은 단점이 있어 작동 중에 개선이 필요합니다. 예를 들어, 고르지 않은 퍼니스 온도는 열장을 측정하고 특정 온도 위치에 샘플을 배치하여 고르지 않은 온도를 극복하기 위해 미리 결정할 수 있습니다.
- 튜브 저항로: 튜브 저항로는 일반적으로 고온 내화 재료(일반적으로 99% 알루미나 튜브) 주위에 저항선을 겹쳐서 사용하며 세그먼트 단위로 온도를 제어할 수 있습니다. 또한 알루미나 튜브 주위에 원형으로 배열 된 가열 요소로 실리콘 카바이드 막대를 사용할 수도 있습니다. 튜브 저항로는 케이스로 가열 요소를 퍼니스 대기에서 분리하여 필요에 따라 다른 대기(예: 산화 또는 환원 대기)를 도입하고 퍼니스 커버의 배기구를 통해 폐가스를 배출하여 대기를 제어할 수 있습니다(그림 4-8).
튜브 저항로의 장점은 빠른 가열 속도, 세분화된 온도 제어, 정확한 온도 제어이며, 단점은 적은 양의 샘플을 처리할 수 있고 추출이 쉽지 않다는 점입니다.
소금 용해로:
소금 용해로는 용융된 소금을 가열 매체로 사용하는 열처리 장치로, 구조가 간단하고 가열 속도가 빠르고 균일한 것이 특징입니다. 소금 용해로에서 소금의 용융 온도는 소금 용액의 조성에 따라 150~1300℃ 범위로, 일반적으로 보석의 저온 및 중온 열처리에 적합한 가열 온도 범위가 가능합니다. 단점은 높은 전력 소비, 처리 후 시료 세척의 어려움, 보석에 대한 특정 부식 및 오염 효과입니다. 일반적인 염 용해로 유형에는 전극형과 전기 가열형이 있습니다.
- 전극 염 용해로: 이 전기로는 용해로 챔버에 전극을 삽입하고 저전압 고전류를 통과시켜 전류가 용융 염을 통해 흐를 때 강한 전자기 순환을 생성하여 용융 염의 소용돌이를 촉진하여 시료를 가열합니다. 우리나라의 전극 염 용해로는 대부분 산업 생산에 적합하고 실험실에는 적합하지 않습니다. 실험실에서는 대량 생산되는 염 용해로 변압기를 사용하여 소형 용해로를 설계할 수 있습니다.
- 전기 가열 소금 용해로: 이 용해로는 용융 소금이 들어 있는 도가니와 도가니를 가열하는 용해로 본체로 구성됩니다. 열원은 종종 전기 에너지이지만 다른 연료도 사용됩니다. 일반적으로 화학 성분으로 인한 자체 착색 보석의 열처리에 사용됩니다. 열원 제한이 없고 변압기가 필요 없다는 특징이 있지만 도가니의 수명이 짧고 용광로 내부의 온도 분포가 고르지 않다는 단점이 있습니다. 이 유형의 용광로의 많은 모델이 우리나라에서 생산되지만 일부만 보석 최적화 처리 실험실에 적합합니다.
연료로 ③ 연료로:
연료로는 사용하는 연료의 종류에 따라 고체 연료로, 가스 연료로, 액체 연료로 등으로 분류할 수 있습니다. 가열실의 형태에 따라 챔버로, 테이블로, 우물형 용광로 등으로도 나눌 수 있습니다. 가장 일반적인 고체 연료로는 석탄을 주 연료로 사용하는 바닥 연소 챔버로입니다. 구조가 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 온도 균일도가 낮고 온도 제어가 어렵다는 단점이 있습니다.
가스 연료로는 가연성 가스(석탄 가스, 천연 가스, 액화 석유 가스 등)를 연료로 사용합니다. 가연성 가스는 공기와 쉽게 혼합되어 완전히 연소하기 때문에 용광로 온도가 고체 연료 용광로보다 균일하여 일상적인 실험실 보석 가공에 적합합니다. 그러나 용광로 내부 온도 측정의 정확도는 개선될 수 있습니다.
액체 연료로는 디젤이나 중유를 연료로 사용하며, 그 구조는 가스 용광로와 유사합니다. 이 둘의 유일한 차이점은 연소 장치의 구조에 있습니다.
(2) 제어 대기 용광로
산화 또는 환원 분위기를 제어하여 보석의 색상과 외관을 개선하기 위해 산소 또는 환원 가스를 제어 분위기 용광로에 주입합니다. 제어 분위기 퍼니스는 일반적으로 제어 분위기 작동 퍼니스와 제어 분위기 생성 장치의 두 부분으로 구성됩니다.
제어 대기 작업로:
이러한 유형의 퍼니스는 일반적으로 저항 퍼니스의 개선된 버전이며, 박스형 퍼니스와 튜브형 퍼니스 모두 제어 분위기 퍼니스로 사용할 수 있습니다. 제어 분위기 퍼니스는 저항 퍼니스에 가스가 퍼니스 챔버에 들어가서 밀봉할 수 있는 제어 가능한 분위기 부착물을 추가하여 형성할 수 있습니다. 일반적으로 산화, 환원 또는 중성과 같은 열처리 분위기를 제어하는 데 사용됩니다. 도입되는 산화 가스에는 일반적으로 산소, 공기 등이 포함되며, 환원 가스에는 일반적으로 H2, CO, N2, CH4등을 포함하며, 이러한 가스 중 일부는 가연성이 있으므로 작동 중에는 각별한 주의가 필요합니다. 폭발을 방지하기 위해 가장 좋은 방법은 퍼니스 챔버를 N2 (또는 CO2) 가스를 도입하거나 퍼니스를 종료하기 전에 가스를 주입해야 하며, 일반적으로 도입되는 가스의 양은 퍼니스 챔버 부피의 4~5배입니다. 또한 도입되는 가스는 때때로 CO 함량이 높아 작업자를 쉽게 중독시킬 수 있으므로 환기를 잘하고 퍼니스 본체와 파이프 라인의 밀봉 상태를 정기적으로 확인하는 것이 중요합니다. 배출된 폐가스는 실외에서 점화하거나 방출해야 합니다.
제어식 대기 발생 장치
- 환원 분위기 생성 장치(흡열 분위기 생성기라고도 함): 이 장치는 천연가스, 액화석유가스, 석탄가스 등 원가스와 공기를 일정 비율로 혼합합니다. 외부 열원과 촉매의 작용으로 불완전 연소 및 일련의 반응을 통해 가스를 생성합니다. 생성된 가스는 엄격하게 제어되고 안정된 좋은 환원 분위기이지만 장비 구조가 복잡하고 비용이 상대적으로 높습니다.
- 암모니아 분해 발생기: 열처리 공정에서는 산화 분위기, 환원 분위기 등 보석의 색상 형성 원인에 따라 다양한 분위기를 도입해야 합니다. 일반적으로 사용되는 환원 분위기는 암모니아 분해 발생기를 통해 이루어집니다.
그림 4-9와 같이 암모니아 가스를 질소와 수소로 분해하는 장치를 사용하여 환원 대기를 생성합니다. 암모니아 병에서 나온 액체 암모니아는 기화기 1로 흘러 들어가 가열 및 기화되고, 반응 탱크 2로 들어가 고온과 촉매의 작용으로 분해됩니다. 냉각된 암모니아 분해 가스는 정화 장치 3에서 잔류 산소와 수증기를 제거한 후 열처리로에 유입되어 사용됩니다. 분해 후 가스 H2:N2 는 3:1로 감소하는 분위기입니다.
(3) 진공 열처리로
진공 열처리는 진공(음압) 상태에서 시료의 가열 또는 냉각 과정이 이루어지는 열처리 방법으로, 이 처리에 사용되는 용광로를 진공 열처리로라고 합니다.
진공 열처리는 블랙 큐빅 지르코니아 가공과 같은 특수한 열처리 조건에 사용되며 진공로 내 온도도 상대적으로 높습니다. 비 발열체의 산화에 대한 우려로 인해 알루미늄, 울프람, 탄탈륨 및 흑연 제품과 같은 고온 금속을 발열체로 사용할 수 있습니다. 하지만 제어된 대기 용광로보다 보석 최적화 공정에서 널리 사용되지는 않습니다.
(4) 레이저 및 전자빔 열처리 장치
최근 몇 년 동안 레이저 및 전자빔 열처리 기술이 발전했습니다. 빠른 가열 속도와 높은 온도, 산화가 없는 것이 특징이며 특히 국소 열처리에 적합합니다. 그러나 이 장비는 가열이 고르지 않고 냉각 속도가 빠르며 투자 비용이 높기 때문에 보석 열처리에는 사용 빈도가 낮고 다이아몬드의 어두운 내포물을 처리하는 데 주로 적용됩니다.
전자빔은 가열된 음극 필라멘트에서 방출되어 '양극'에 의해 가속되고 자기 렌즈에 의해 초점을 맞춘 고에너지 밀도의 전자 빔을 말합니다. 이 전자 빔이 시료 표면에 닿으면 전자의 에너지가 즉시 열 에너지로 변환되어 시료를 가열하고 금속을 녹입니다. 전자빔을 생성하는 장치를 전자빔 건이라고 합니다. 이 장치는 일반적으로 보석의 열처리를 국소적으로 향상시키는 데 사용됩니다.
1.2 열처리를 위한 보조 기기 및 장치
(1) 열전대
열전대는 온도 측정에 가장 널리 사용되는 온도 감지 요소입니다. 구조가 간단하고 사용하기 쉬우며 정확도와 안정성이 높고 온도 측정 범위가 넓어 온도 측정에 중요한 역할을 합니다.
열전대의 측정 원리:
열전대는 화학 성분이 다른 두 개의 금속 와이어(A와 B)를 연결하여 폐쇄 루프, 즉 열전대를 형성하는 것입니다. 이 전선의 두 접합부의 온도가 서로 다르면 열전위라고 하는 기전력이 회로에 생성됩니다.
열전쌍의 열전위 크기는 도체의 재료 특성 및 두 접합부의 온도와 관련이 있습니다. 도체 재료가 고정되어 있으면 두 접합부의 온도 차이가 클수록 열전위도 커집니다. 온도는 열전위의 크기를 측정하여 측정할 수 있습니다.
열전대의 구조와 종류 ② 열전대의 구조와 종류:
열전대는 보온병 전극이라고 하는 두 개의 서로 다른 전도성 전선 A와 B로 구성됩니다. 용접된 끝을 작업 끝(핫 엔드)이라고도 하며 측정 매체에 배치되고 다른 쪽 끝은 기준 끝(프리 엔드 또는 콜드 엔드)이라고도 하며 기기에 연결됩니다.
고온과 저온의 끝 온도가 다른 경우, 열전대에서 생성된 열전위는 온도 눈금에 따라 기기에 표시되거나 기록될 수 있습니다. 열전대의 개략도는 그림 4-10에 나와 있습니다.
두 개의 열전대 와이어는 단락을 방지하기 위해 절연 튜브로 덮여 있으며, 유해 물질로 인한 부식을 방지하기 위해 세라믹 또는 내열강 튜브로 보호되어 있습니다. 열전쌍의 구조는 그림 4-11에 나와 있습니다.
그림 4-11 열전대의 구조
1-열전대 전선, 2-절연 튜브, 3-보호 튜브, 4-정션 박스, 5-보상 리드선
열전대 보상 와이어 ③:
열전대에 의해 생성된 열전위는 콜드 엔드가 0℃로 유지될 때만 핫 엔드의 온도를 직접적으로 반영할 수 있습니다.
그러나 열전대를 실제로 사용할 때 열전대 자체에서 전도되는 열과 주변 환경 온도의 영향으로 인해 냉단 온도가 달라져 측정기의 온도 판독값이 부정확해지는 경우가 종종 있습니다.
이러한 효과를 극복하기 위해 보상 와이어를 사용하여 열전대의 차가운 쪽 끝을 온도가 더 일정한 위치로 연장하여 보상 조치를 취할 수 있도록 하는 경우가 많습니다.
보상 와이어는 화학 성분이 다른 한 쌍의 금속 와이어입니다. 0~100℃ 범위 내에서 연결된 열전대와 동일한 열전 특성을 가지지만 훨씬 저렴합니다. 보정 와이어의 연결은 그림 4-12에 나와 있습니다.
보상 와이어는 듀얼 코어, 단일 가닥 또는 다중 가닥이며 내부 절연 층을 다른 색상으로 구분하여 양극과 음극을 나타냅니다. 사용 시, 다양한 열전대는 연결을 위해 해당 보상 와이어를 사용해야 하며, 보상 와이어와 열전대의 연결 끝 온도는 100℃ 이하로 유지되어야 하며, 보상 와이어를 통해 연장된 새로운 냉단은 여전히 일정한 온도 또는 계산 등의 방법을 사용하여 보상해야 하며, 잘못된 연결을 방지하기 위해 보상 와이어의 양극 단자는 열전대의 양극 단자에, 음극 단자는 음극 단자에 연결해야 한다는 점에 유의해야 합니다.
(2) 방사선 온도계 및 광학 온도계
방사선 온도계:
방사선 온도계는 방사선 온도 센서와 디스플레이 기기로 구성됩니다. 사용 중에는 아이피스를 통해 보이는 측정 대상의 이미지가 써모파일을 완전히 덮어야 합니다[그림 4-13 (a)]. 써모파일이 측정 대상에서 방사되는 열 에너지를 적절히 수신할 수 있도록 해야 합니다. 측정 대상의 이미지가 너무 작거나 왜곡되면 측정값이 실제보다 낮게 측정됩니다.
광학 고온계:
광학 고온계는 휴대용 온도 측정 기기입니다. 일반적으로 사용되는 유형은 필라멘트 소멸 광학 고온계입니다. 밝기를 비교하여 온도를 측정하는 방법을 사용하여 빛나는 물체의 밝기와 온도 사이에 상응하는 관계가 있다는 원리로 작동합니다.
사용 중일 때는 고온계를 측정 대상에 조준하고 접안렌즈를 앞뒤로 움직입니다. 필라멘트의 밝기가 측정 대상의 밝기와 같아질 때까지, 즉 측정 대상의 이미지에서 필라멘트 이미지가 사라질 때까지 필라멘트의 밝기를 비교합니다[그림 4-14 (b)]. 그러면 측정 대상의 온도를 얻을 수 있으며, 바로 온도로 표시되는 온도를 알 수 있습니다.
그림 4-14 광학 고온계의 조준 조건(우 루이화, 1994)
(a) 측정된 물체가 필라멘트보다 밝으면 표시된 온도가 낮고, (c) 측정된 물체가 필라멘트보다 어두우면 표시된 온도가 높습니다.
(3) 도가니
도가니는 보석의 열처리 공정에서 일반적으로 사용되는 용기입니다. 열처리된 보석은 고온에서 완성되고 도가니와 직접 접촉하는 경우가 많으므로 도가니의 선택은 열처리 성공의 중요한 요소입니다. 열처리 과정에서 도가니의 선택은 다음 조건을 충족해야 합니다:
도가니 재료는 작동 온도에서 충분한 강도를 가져야 하며 고온에서 장시간 사용해도 균열이 발생하지 않아야 합니다.
작업 분위기에서 도가니 재료는 보석과 관련하여 매우 안정적이어야 합니다. 보석과 화학적으로 반응해서는 안 되며, 보석 결정에 유해한 불순물이 유입되지 않도록 도가니 재료의 순도에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
도가니 재료는 도가니가 밀봉된 후 일정한 압력을 유지하기 위해 낮은 다공성과 높은 밀도를 가져야 합니다.
도가니는 보석의 열처리에서 일반적으로 사용되는 용기이므로 도가니 재료는 가공하기 쉽고 저렴해야 합니다.
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2. 보석 개선을 위한 열처리 원리
천연 보석을 특정 온도에서 가열하면 색상, 투명도, 외관이 개선될 수 있습니다. 그 이유는 주로 열처리를 통해 보석의 구조와 성분이 변화하여 외관 특성이 향상되고 미적, 경제적 가치가 증가하기 때문입니다. 따라서 보석의 외관 특성 변화를 이해하기 위해서는 열처리가 보석을 개선하는 원리를 분석할 필요가 있습니다.
열처리란 보석의 잠재력을 활용하고 보석의 아름다움을 극대화하는 과정입니다. 열처리된 보석은 천연 보석과 비교했을 때 물리적, 화학적 특성에 차이가 없습니다. 가열하면 보석에 포함된 착색 이온의 함량과 원자가 상태에 변화가 생기거나 구조적 결함이 발생하여 색상과 투명도 등 보석의 물리적 특성이 변화하는 것이 원리입니다.
미량 원소 불순물이 포함된 대부분의 보석은 열처리 후 색상이나 투명도가 변합니다. 열처리에 일반적으로 사용되는 장비는 간단하고 작동하기 쉬우며 루비, 사파이어, 에메랄드, 토르말린, 지르콘, 옥, 마노 등 대부분의 알로크로매틱 컬러 보석에 적합합니다. 이 방법은 전이 원소 성분이나 전이 원소 불순물에 의해 색이 변하는 보석에 적용되며, 전하 이동에 의해 색이 변하는 보석에도 적합합니다. 유기 보석도 열처리를 통해 색상과 투명도를 변경할 수 있는데, 예를 들어 호박은 열처리 후 내부 기포를 제거하여 맑고 투명하게 만들 수 있습니다.
보석의 물리적, 화학적 특성과 착색 메커니즘에 따라 일반적으로 처리되는 보석의 원리는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
(1) 열처리를 통해 보석의 발색단 이온의 함량 또는 원자가 상태를 변경합니다.
미량의 불순물 이온을 제거하고, 일부 보석에 색을 입히고, 열처리를 통해 보석의 저원자 양이온을 고원자 양이온으로 산화시켜 보석의 색을 변화시킵니다. 예를 들어, 붉은 마노는 주로 Fe에 의해 착색됩니다.3+. 열처리를 통해 Fe 2+ 은 마노에서 Fe로 산화될 수 있습니다.3+3가 철 이온의 함량과 비율을 증가시켜 마노의 붉은 색조를 향상시킵니다. 루비와 홍옥의 열처리도 이 원리를 통해 보석의 색상을 강화합니다. 녹색 색조의 아쿠아마린도 열처리를 통해 녹색 톤을 제거하여 아쿠아마린의 파란색 톤을 향상시킬 수 있습니다. 그림 4-15는 열처리 후 아쿠아마린(a)의 파란색이 상당히 짙어지고 녹색 톤이 약해진 것을 보여줍니다.
(2) 열처리를 통한 유기 보석의 조성 변화
진주, 상아, 산호, 호박과 같은 유기 보석의 경우 열처리를 하면 보석 내부의 유기물이 산화될 수 있습니다. 온도가 너무 높으면 검은 색으로 착색되어 유기물의 "탄화" 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 열처리는 보석 업계에서 "고대 옥"을 모방할 수 있으며, 일반적으로 "노화" 처리로 알려져 있으며 흔히 컬러 로스팅이라고도 하며 호박, 산호 등에 자주 사용됩니다.
(3) 열처리로 컬러 센터 생성
일부 보석의 색은 주로 색상 중심 때문입니다. 보석은 열처리를 통해 특정 빛을 흡수하고 색을 생성하는 컬러 센터를 생성할 수 있습니다. 열처리는 일반적으로 보석 조사 처리 후 불안정한 색 중심을 제거하고 안정적인 색 중심을 유지하기 위해 적용됩니다. 예를 들어, 열처리된 토파즈는 불안정한 갈색 중심을 제거하고 안정적인 파란색 중심을 보존합니다. 열처리 온도와 시간을 조절하면 보석의 색상을 개선하는 목표를 달성할 수 있습니다. 자수정이 노란색 또는 녹색으로 변하는 것과 스모키 쿼츠가 황록색 또는 무색으로 변하는 것도 열처리를 통해 색 중심을 변화시킨 결과입니다.
(4) 열처리는 탈수 효과로 인해 수화 보석의 색상 변화를 유발합니다.
일부 보석에는 흡착된 수분과 구조수가 포함되어 있습니다. 일부 보석은 열처리 과정에서 구조수를 손상시키지 않고 색상을 개선할 수 있습니다. 예를 들어 베릴은 구조수를 함유하고 있으며 철과 망간을 함유한 주황색-노란색 베릴은 열처리를 통해 아름다운 분홍색 베릴로 변할 수 있습니다. 오팔은 구조수를 함유하고 있으며, 오팔을 약 300℃로 가열하면 수분 손실로 인해 변색 효과가 사라집니다. 호랑이의 눈은 열처리를 통해 구조적 수분이 손실되어 진한 갈색 또는 적갈색으로 변합니다.
(5) 열처리로 인해 결정 구조에 변화가 발생합니다.
열처리는 결정의 내부 구조를 재구성하여 결정성을 개선하고 결정의 색상에 영향을 줄 수 있습니다. 지르콘의 일반적인 유형에는 저형 지르콘, 중간형 지르콘 및 고형 지르콘이 있습니다. 열처리를 통해 저형 지르콘은 중간형 지르콘으로, 중간형 지르콘은 고형 지르콘 등으로 변형될 수 있습니다. 동시에 결정의 색상도 변하고 다른 분위기에서 다른 색상으로 변할 수 있습니다. 예를 들어, 감소된 조건에서 열처리는 갈색 적색 지르콘을 개선하여 무색 지르콘으로 바꿀 수 있습니다.
(6) 열처리로 보석의 실크와 같은 내포물과 별빛 효과를 향상시킵니다.
사파이어와 같은 일반적인 보석에는 티타늄 이온이 루틸(TiO2), 흰색 실크 또는 별 효과를 연출합니다. 루틸의 형성은 보석이 형성될 당시의 지질학적 조건에 의해 결정됩니다. 일부 천연 사파이어에서는 별 선의 분포가 고르지 않고 별 효과가 좋지 않습니다. 열처리를 통해 사파이어의 루틸을 녹이고 재배열하여 천연 보석의 별빛 효과를 개선할 수 있습니다. 합성 보석의 별빛 효과도 이 원리를 사용하여 만들어집니다.
3. 열처리 조건
열처리 과정에서 가열 속도, 실험 조건에서 도달한 최고 온도, 유지 시간, 냉각 속도, 가열로 내부의 대기 및 압력 등 다양한 요소를 숙지해야 합니다. 이러한 조건을 종합적으로 고려해야 합니다.
(1) 더 높은 온도로 가열하는 속도
대부분의 보석은 열전도율이 낮기 때문에 보석 내부와 외부의 큰 온도 차이로 인한 균열을 방지하기 위해 열처리 중 가열 속도를 약간 느리게 할 수 있습니다. 가열 속도를 곡선으로 표시하면 처리된 보석의 가열 곡선을 나타내며, 이는 보석이 깨지지 않도록 대부분의 가열이 천천히 이루어져야 함을 의미합니다.
(2) 열처리 중 도달한 최고 온도
열처리 중 도달하는 최고 온도는 보석의 색상이나 투명도를 향상시킬 수 있는 최대 온도이며, 처리된 보석의 색상이나 투명도를 변화시킬 수 있는 최적의 온도이기도 합니다. 이는 반복적으로 탐구해야 하는 가장 중요한 조건입니다.
(3) 보유 시간
보석이 가장 높은 온도로 유지되는 시간으로, 일반적으로 유지 시간이라고 하며 온도 곡선은 직선의 일정한 온도 곡선입니다. 보석 전체가 안정적이고 균일하게 유지되도록 하려면 내부의 변화가 균일할 수 있도록 일정 시간 동안 유지해야 하는 경우가 많습니다. 최적의 유지 시간은 광범위한 실험을 통해 결정해야 합니다.
(4) 냉각 곡선
최고 온도에서 냉각 속도와 냉각 중에 유지되는 온도의 기울기를 냉각 곡선이라고 합니다. 대부분의 경우 보석이 깨지는 것을 방지하기 위해 냉각 속도는 비교적 느리지만, 때로는 커런덤의 바늘 모양 내포물을 제거하는 등 빠른 냉각이 필요한 특별한 요구 사항이 있으며, 규암과 사문옥은 염색 전에 균열 패턴을 만들기 위해 빠른 냉각이 필요할 수 있습니다.
(5) 용광로 내 분위기
퍼니스의 분위기는 열처리 과정 중 산화-환원 조건의 제어와 유용한 성분으로 로스팅하는 것을 말합니다. 일부 실험에서는 특정 액체 시약에 담근 시료를 로스팅하거나 가열하기 위해 화학 약품을 추가해야 합니다. 예를 들어 루비의 보라색 색조를 제거하려면 Fe를 산화시켜야 합니다.2+ 루비에서 Fe로3+ 산화 분위기에서 보라색 색조가 루비에 미치는 영향을 줄입니다; 예를 들어, 마노의 붉은 연소에는 산화되는 Fe2+ 마노에서 Fe3+ 산화 분위기에서 마노의 붉은 색을 강화합니다.
(6) 용광로 내 압력
일부 보석 열처리 실험은 특정 압력을 제어해야 합니다. 예를 들어 다이아몬드 열처리는 고압을 사용하는 경우가 많지만 루비, 아쿠아마린, 마노와 같은 일반 보석의 열처리는 일반 압력 조건에서 이루어집니다. 보석의 종류에 따라 필요한 압력 조건이 다르기 때문에 실험 중에 정상 압력, 감압 또는 증압을 사용할지 여부를 검토해야 합니다.
보석 열처리에서 이 여섯 가지 요소는 실험을 통해 반복적인 탐구를 통해 얻어집니다. 보석의 종류에 따라 실험 조건이 다릅니다. 보석 열처리 조건 중 가열 속도, 냉각 속도, 최대 도달 온도 및 유지 시간을 결정하는 것이 가장 중요합니다(그림 4-16). 열처리 과정에서 가열과 냉각이 모두 느려야 하며, 그렇지 않으면 균열이 발생하여 보석의 품질이 저하될 수 있습니다. 이러한 요소의 최적 조합은 특정 공정에서 달성할 수 있는 경우가 많습니다.
개량된 보석은 원산지가 다르거나 불순물 성분이 다르거나 다른 역사를 거친 천연 소재입니다. 역사적 환경과 지질학적 조건은 매우 복잡하며, 동일하게 보이는 보석이라도 열처리 방법이 매우 다를 수 있습니다. 게다가 대부분의 열처리 공정은 엄격하게 기밀로 유지되며, 기성품 실험 조건이 제공되지 않아 직접 탐구해야 합니다.
예를 들어, 동일한 열처리 조건에서 같은 갈색을 띠는 사파이어라도 하이난산 사파이어는 파란색으로 변하고 산둥산 사파이어는 주황색으로 변합니다. 열처리를 통해 특정 색상을 얻으려면 다양한 조건에서 실험을 수행해야 합니다. 재료가 손상되지 않도록 모든 샘플에 주의를 기울여야 합니다.
열처리 중 원석이 깨지는 것을 방지하려면 온도 상승 및 하강 조건을 엄격하게 제어하는 것 외에도 균열이 확대되는 것을 방지해야 합니다. 구체적인 방법은 열처리 전에 균열이 있는 모든 부분을 적절히 제거한 다음 가열 후 다시 연마하는 것이며, 원석은 작은 입자의 완벽한 보석 재료를 위해 가열할 수 있습니다.
4. 열처리 시 열 효과
열처리에는 다양한 열적 효과가 있습니다. 그러나 일반적인 보석 중에서 보석 재료에 가장 중요한 열 효과는 표 4-1과 같이 미국 학자 나소가 요약한 9가지 유형입니다.
표 4-1 열 효과의 메커니즘 및 예시
| 효과 | 메커니즘 | 예 |
|---|---|---|
| 어두워짐 | 공기 중에서 서서히 산화되어 검은색으로 변합니다. | "노화" 호박색과 아이보리색 |
| 색상 변경 | 컬러 하트 파괴 | 파란색 또는 갈색 토파즈는 무색으로, 핑크 토파즈는 노란색으로, 자수정은 노란색 또는 녹색으로, 스모키 쿼츠는 황록색 또는 무색으로 변합니다. |
| 색상 변경 | 수분 또는 결로 현상으로 인한 변화 | 핑크 칼세도니는 주황색, 빨간색 또는 갈색으로 변하고, 호랑이 눈은 가열하면 진한 갈색에서 적갈색으로 변합니다. |
| 균질 다면체 | 방사선으로 인한 구조적 변화 | "로우 타입" 지르콘이 "하이 타입" 지르콘으로 변경됩니다. |
| 색상 변경 | 산소 농도와 관련된 대기 변화 | 녹색 아쿠아마린은 파란색으로, 자수정은 진한 노란색 토파즈로, 무색, 노란색, 녹색 사파이어는 파란색으로, 갈색 또는 보라색 루비는 빨간색으로 변합니다. |
| 구조적 변화. | 온도 변화, 결정 침전 또는 용해. | 커런덤에서 실크 또는 별빛 효과를 생성하거나 제거합니다. |
| 색상 오버레이 | 불순물 확산 | 사파이어 표면의 파란색과 별 모양의 확산 |
| 프랙처 | 급격한 온도 변화, 내부 구조물 파손 | 사파이어 내포물 주변의 "후광", "폭발하는" 쿼츠 |
| 재생 및 정화 | 열과 압력 하에서의 유변학 | 호박의 재생 및 정화; 거북이 껍질의 재생 |
표 4-1에서는 완전히 가역적이거나 전이가 가능한 열 효과는 생략했습니다. 예를 들어 루비는 가열하면 붉게 달아오른 상태로 녹색으로 변했다가 실온으로 식으면 원래 색상으로 돌아오고, 스모키 쿼츠는 가열하면 청록색으로 변했다가 실온으로 식으면 노란색으로 되돌아갑니다.
표 4-1의 어둡게 하는 효과는 호박색과 아이보리를 '노화'시키는 데 사용되기도 합니다. 이 효과는 천천히 탄화되는 과정과 동일합니다. 연구에 따르면 호박색은 어두운 보관실에 두어도 어두워지는데, 이는 유기 물질이 쉽게 산화된다는 것을 나타냅니다. 따라서 천천히 가열하는 동안 산화 과정이 빨라질 것으로 예상하는 것이 합리적입니다.
표 4-1은 가열로 인한 색상 중심 손상으로 인해 보석 색상이 희미해지거나 사라질 수 있음을 보여줍니다. 예를 들어 갈색 토파즈, 노란색 사파이어, 붉은 토르말린은 열처리 후 모두 무색이 될 수 있으며 일부 자수정, 황수정, 스모키 쿼츠도 무색이 될 수 있습니다.
색상 중심이 파괴되면 때때로 색상이 변할 수 있습니다. 예를 들어, 방사선을 조사한 갈색 토파즈는 열처리 후 파란색으로 변할 수 있고, 자수정은 열처리 온도를 조절하면 황수정으로 변할 수 있으며, 특정 갈색 토파즈는 열처리 후 분홍색으로 변할 수 있습니다. 이러한 색상 변화는 방사선 처리를 통해 원래 색상으로 복원할 수 있습니다.
표 4-1에 표시된 것처럼 수분이나 응축으로 인한 색상 변화는 일반적으로 철과 같은 불순물과 관련이 있습니다. 리모나이트는 가열하면 진한 주황색, 갈색 또는 빨간색 적철광을 생성할 수 있습니다.
마노, 칼세도니, 호랑이 눈과 같이 회색에서 노란색, 갈색에 이르는 일부 철 함유 석영 소재는 이 원리에 따라 가열하면 진한 갈색에서 적갈색으로 변합니다.
표 4-1의 균질 다결정체는 열처리 조건에서 균질 다결정체의 변형으로 인한 보석 구조의 변화입니다. 예를 들어 흑연은 고온과 고압에서 다이아몬드로 변환될 수 있고, '저형' 지르콘은 고온에서 '고형'으로 변환될 수 있습니다.
표 4-1의 보석의 색상 변화는 환경의 산화 또는 환원 대기의 변화로 인한 것으로 주로 환경의 산소 농도와 관련이 있습니다. 예를 들어 녹색 아쿠아마린은 환원 조건에서 파란색으로, 자수정은 산화 조건에서 어두운 황수정으로, 무색, 노란색 및 녹색 사파이어는 산화 조건에서 파란색으로, 갈색 또는 보라색 루비는 빨간색으로 변합니다.
표 4-1의 구조적 변화는 보석의 물리적 광학 효과로 이어집니다. 예를 들어, 열처리 조건에서는 별빛 사파이어의 루틸 내포물이 녹아 별빛 효과가 사라집니다. 냉각되면 루틸 결정이 침전되어 별빛 효과가 재생됩니다.
표 4-1의 색상 향상은 착색 이온이 추가되어 보석의 색상이 더 진해지기 때문입니다. 예를 들어, 확산 사파이어의 경우 철과 티타늄과 같은 착색 이온을 추가하면 밝은 색상의 사파이어 색상이 더 진해집니다.
표 4-1의 균열은 사파이어의 내포물 주변에 발생하는 응력선, 담금질 조건에서 인위적으로 열처리된 규암에서 발생하는 균열 패턴 등 열처리 조건에서 보석의 내부 구조가 변화하는 것을 말합니다.
표 4-1의 재생과 정화는 열과 압력 하에서 기체와 액체의 상호작용으로 인한 내부 변화입니다. 예를 들어, 열처리 조건에서 호박 내부의 기포가 터지면서 투명도가 증가하고, 열수 조건에서 거북이 껍질이 재생되는 등의 변화가 일어날 수 있습니다.
5. 산화 환원 및 가스 확산
보석 열처리 과정에서 산화 환원 조건은 매우 중요하며 보석 열처리 성공의 핵심 요소입니다. 열처리 중 산화 또는 환원 분위기를 제어하면 보석의 색상이 달라질 수 있습니다. 열처리 중 산화 또는 환원 분위기는 보석의 온도와 해당 온도에서 용기 내부의 산소 농도와 관련이 있습니다.
(1) 산화 환원
표준 산소 분압(Po2) : 산소가 함유된 보석을 공기 중에서 가열하면 보석은 대기 중의 산소와 같은 농도로 안정화됩니다. 이 농도는 이 온도에서 보석의 표준 산소 분압입니다.
산화 분위기에서 용광로의 산소 분압은 동일한 온도 Po에서이 보석의 표준 산소 분압보다 큽니다.2.
환원 분위기에서 용광로 내 산소 분압은 002 미만입니다.
강한 산화성 대기는 공기를 사용하는 것 외에도 순수한 산소를 사용하며, 때로는 압축 공기가 산소 밀도를 증가시키기도 합니다. 화학적으로 불활성인 가스(예: 질소)는 일반적으로 중성 기체로 간주되어 중성 대기를 형성합니다. 대기를 희석하고 산소 함량을 줄일 수 있다면 환원 능력은 매우 약하지만 환원 가스로 볼 수도 있습니다.
마찬가지로 연료를 연소시켜 대기를 개선할 수 있습니다. 예를 들어 천연가스, 프로판, 가솔린 등을 사용하고 유입되는 공기나 산소의 양을 조절하면 탄소를 줄일 수 있지만 이를 제어하기는 쉽지 않습니다.
또 다른 유형의 드립 보호 분위기는 유기 액체를 퍼니스에 직접 떨어뜨려 산소와 반응시켜 분위기를 제어하는 것입니다.
(2) 가스 확산
산화 환원 반응은 기체의 확산을 통해 이루어집니다. 산소가 전체 시료에 작용하려면 일반적으로 1cm 이상의 거리를 두고 특정 경로를 따라 보석 시료의 내부로 확산되어야 합니다. 확산 온도는 1000℃를 초과해야 하며 시간은 몇 시간 이상이어야 합니다.
산화물 보석 구조의 특성으로 인해 산소는 원하는 효과를 내기 위해 전체 거리를 이동할 필요가 없으므로 이러한 확산이 빠르게 일어날 수 있습니다. 예를 들어, 그림 4-17에 표시된 산화 커런덤 알루미늄의 산소 빈 공간으로 대기 중 산소가 확산되는 과정을 살펴보세요.
6. 열처리 방법의 분류
열처리 유형과 방법에 따라 세 가지 일반적인 열처리 방법이 있습니다:
(1) 일반 열처리 방법
일반적인 열처리 방법은 보석을 직접 가열하여 착색 이온의 함량과 원자가 상태에 변화를 일으킵니다. 때로는 크리스탈의 내부 구조적 결함을 변경하여 색상 및 투명도와 같은 보석의 물리적 특성을 변경할 수도 있습니다.
예를 들어 스리랑카산 유백색, 갈색, 연한 노란색의 구다 스톤은 사파이어로, 아쿠아마린은 녹색에서 아쿠아마린 블루로, 탄자나이트는 열처리 후 파란색으로 변하는 등의 변화가 일어납니다.
(2) 화학 시약 로스팅 방법
확산법이라고도 하는 화학 시약 로스팅 방법은 화학 시약을 사용하여 보석 표면의 결정 구조를 파괴하여 표면층의 화학 성분이 의도한 대로 변화하도록 하는 것을 말합니다. 보석 내의 착색 이온도 표면층을 통해 교환(바깥쪽 또는 안쪽으로 확산)되어 원자가 상태 또는 함량 변화를 초래할 수 있습니다.
국제 시장에서 인기있는 확산 사파이어, 확산 토파즈, 확산 토르말린은 이 방법을 사용하여 얻습니다. 이 방법으로 개선된 보석은 어두운 보석을 밝게 하고, 밝은 회색 보석을 푸른색 보석으로 바꾸는 등의 효과를 얻을 수 있습니다.
(3) 용융염 전기분해 방법
용융 소금을 섞은 후 흑연 도가니에 넣고 전기분해 과정을 진행합니다. 백금(Pt) 와이어를 양극으로 사용하여 보석 샘플을 백금 와이어 양극으로 감싸서 보석이 양극이 되고 흑연 도가니가 음극 역할을 하도록 합니다.
전해질이 용광로에서 녹은 후 그림 4-18과 같이 양극과 보석을 전해 셀에 함께 넣어 전기분해를 진행합니다. 제어 탱크 전압은 3.0V로 설정하고 전기 분해 시간은 40~45분으로 설정합니다. 그런 다음 양극과 샘플을 제거합니다. 전기 분해 과정은 보석의 원자가 상태와 착색 이온의 함량을 변경하여 보석의 색상과 투명도를 변경합니다. 이 방법의 단점은 용융 소금을 부적절하게 선택하면 보석을 과도하게 부식시킬 수 있다는 것입니다.
그림 4-18 용융염 전기분해 실험의 개략도
1-열전대; 2-흑연 도가니; 3-Pt 양극 및 샘플; 4-전해액; 5-알루미늄 용융물; 6-직류 전원 공급 장치
7. 보석 상태를 개선하기 위한 일반적인 열처리 방법
열처리를 통해 개선하기에 적합한 보석의 종류는 매우 다양하며, 보석에 따라 필요한 열처리 온도도 다릅니다. 예를 들어 사파이어는 일반적으로 1300℃ 이상의 높은 열처리 온도가 필요하고, 루비는 1000℃ 내외의 비교적 낮은 열처리 온도가 필요하며, 아쿠아마린, 크리스탈, 칼세도니 등 기타 보석은 700℃ 내외의 온도가 필요합니다. 관리 온도는 크게 저열 200~400℃, 중열 400~700℃, 고열 800~1300℃, 강열 1300℃ 이상의 네 가지로 나눌 수 있습니다. 일반적인 보석의 열처리 조건은 표 4-2에 나와 있습니다.
표 4-2 일반적인 보석의 열처리 조건
| 보석 | 열처리 목적 | 최종 색상 | 온도 | 사용법 |
|---|---|---|---|---|
| Ruby | 혼합 색상(갈색, 보라색)을 제거하여 필라멘트 물질을 제외하거나 줄이고 투명도를 높입니다. | 빨간색 | 약 1000℃ | 종종 |
| 블루 사파이어 | 철과 티타늄 함유 커런덤의 색상을 깊게하고 커런덤의 진한 파란색을 밝게합니다. | 파란색 | 강한 열 | 종종 |
| 옐로우 사파이어 | 적절한 밝은 색 또는 무색 철 함유 커런덤을 가열합니다. | 진한 노란색 | 고열 | 종종 |
| 다양한 색상의 사파이어 | 적절한 커런덤을 가열하여 "섬유질" 또는 "별 모양"의 이물질을 제거합니다. | 증가 | 강한 고열 | 종종 |
| 별빛 루비, 사파이어 확산 | 불순물은 가열에 의해 보석 표면으로 확산됩니다 ( TiO2 ), 별빛을 선사하는 | 루비, 사파이어 별빛 | 먼저 강한 열을 가한 다음 장시간 고열을 가합니다. | 자주 사용하지 않음 |
| 루비와 사파이어의 확산 | 가열을 통해 색소 이온이 보석 표면으로 확산되어 색상을 표현합니다. | 다양한 색상의 커런덤 | 강한 열 | 일반적으로 파란색에 사용 |
| 아쿠아마린(무색 또는 녹색) | 녹색에서 노란색 톤 제외 | 바다색 | 미열 | 일반적으로 사용 |
| 주황색-노란색 베릴 | 녹색에서 노란색 톤 제외 | 선명한 빨간색 | 저열 | 자주 사용하지 않음 |
| 딥 블루 또는 그린 토르말린 | 색상이 밝아집니다. | 파란색 또는 녹색 | 중간 열 | 일반적으로 사용 |
| 다크 레드 토르말린 | 검은색 톤 제거 | 핑크 | 저열 | 일반적으로 사용 |
| 스모키 그린 토르말린 | 갈색 톤 제거 | 밝은 녹색 | 저열 | 일반적으로 사용 |
| 스모키 쿼츠 | 색상이 밝아집니다. | 흰색 또는 노란색 | 저열 | 일반적으로 사용 |
| 일부 자수정 | 갈색 난방 | 주황색-노란색 또는 녹색 | 저열 | 일반적으로 사용 |
| 녹색 또는 갈색 지르콘 | 브라운 처리 | 무색 또는 파란색 | 고열 | 일반적으로 사용 |
| 마노, 칼세도니 등 | 철 이온 종류 | 빨간색 | 중-고열 | 일반적으로 사용 |
| 아이리스 쿼츠 | 가열 석영 크리스탈 담금질 | 다양한 색상으로 염색 가능 | 중간 열 | 사용량 줄이기 |
| 탄자나이트 | 가열하면 투명한 조이사이트가 파란색으로 변합니다. | 보라색 파란색 | 중간 열 | 광범위 |
섹션 IV 방사능 조사 방법
조사 은 미세한 입자가 방사선원에서 공간을 통해 모든 방향으로 전파되어 물질의 물리적, 화학적 특성에 변화를 일으키는 과정입니다. 이 섹션에서는 주로 방사선 조사에 필요한 장비와 주의사항, 방사선 조사 후 보석의 컬러 센터 형성 및 제거 과정을 소개합니다.
1. 조사선의 종류 및 방사선원
A 방사선 소스 이온화 방사선을 생성할 수 있는 물질 또는 장치입니다. 일반적인 방사선원 유형에는 다음이 포함됩니다:
(1) 방사성 원소에서 방출되는 광선
방사성 원소는 붕괴를 통해 β선과 γ선을 방출하는데, 이 중 7가지는 주로 보석의 방사선 조사 처리에 사용됩니다. 예를 들어, 방사성 동위원소 60Co는 반감기가 5.3년인 1.17MeV와 1.33MeV의 두 가지 유형의 광선을 방출하는 γ선원으로 사용될 수 있으며, 일반적으로 보석 조사의 방사선원으로 사용되며, 또한 동위 원소 137Ce 및 사용 후 핵연료 원소도 γ선 방사선원으로 사용할 수 있습니다.
방사성 원소는 붕괴할 때 에너지가 비슷한 두 개의 γ선을 방출할 수 있습니다. γ선은 투과력이 강하고 보석의 색을 바꿀 수 있으며 반감기가 길기 때문에 장시간 방사선 치료에 사용할 수 있습니다.
(2) 전자 가속기에서 생성되는 광선
An 전자 가속기 는 전자기장을 통해 하전 입자를 높은 에너지로 가속하는 전기 장치입니다. 전자 가속기는 주로 전자기장을 통해 매우 높은 에너지를 얻으며, 전자 정적 가속기, X-선 튜브, 마이크로파 전자 가속기 등 다양한 유형의 전자 가속기가 수 메가전자볼트에서 300MeV에 이르는 전자 빔을 생성할 수 있습니다.
(3) 원자로에서 생성되는 광선
A 원자로 은 핵 변환을 통해 이온화 방사선을 생성하는 장치 또는 물질입니다. 원자로에서 생성되는 중성자는 일반적으로 보석 조사에 사용되며, 일반적인 반응은 α 입자와 베릴륨의 상호 작용입니다( 9Be + 4그는 -> 12C + n)). 따라서 천연 α 입자 방사선원과 베릴륨 분말을 혼합하면 0-13MeV 정도의 에너지 분포를 가진 중성자 소스를 얻을 수 있으며, 가장 풍부한 중성자 에너지는 약 4MeV입니다. 따라서 보석을 방사선 조사로 처리할 때는 원자로의 핵분열 과정을 중성자 소스로 사용하는 것이 가장 좋습니다.
2. 보석 조사에 사용되는 일반적인 장비
조사를 위한 일반적인 장비로는 원자로, 전자 가속기, 코발트 광원 조사 장치 등이 있습니다. 보석의 종류에 따라 다양한 유형의 조사 장비가 사용됩니다.
(1) 리액터
일반적으로 사용되는 유형은 연구용 원자로로, 원자로 구성 요소의 방사능을 활용하여 보석을 조사할 수 있습니다. 연구용 원자로에는 네 가지 일반적인 유형이 있습니다: 중수 연구용 원자로(HWRR), 수영장 원자로(SPR), 미니 중성자 원자로, 고속 중성자 원자로입니다. 미니 중성자 원자로는 일반적으로 보석 조사 처리에는 사용되지 않습니다.
보석 샘플을 원자로에 넣고 원하는 색상 개선에 따라 조사 시간과 선량을 결정하여 조사합니다. 일반적으로 사용되는 리액터에는 다음과 같은 유형이 있습니다:
중수로 연구용 원자로(HWRR)
중수로 연구로는 동위원소 조사, 연료 및 재료 시험, 단결정 실리콘의 중성자 도핑, 원자로 내 중성자 활성화 분석, 전자 소자 개조를 위한 조사 및 다양한 물리 연구를 수행하는 장치입니다. 보석 조사는 이 연구소가 개발한 응용 분야 중 하나에 불과합니다. 중수로마다 다른 매개변수가 있습니다.
수영장 반응기(SPR)
수영장 원자로는 높은 플럭스, 유연한 레이아웃, 낮은 수중 조사 온도 등의 장점으로 널리 사용되고 있습니다. 과학 연구 외에도 보석과 담수 진주, 전자 기기 등을 조사하기 위한 농업, 의학, 항공, 전자 제품 등에 조사 기술을 제공할 수 있습니다.
고속 중성자 원자로
고속 중성자 원자로는 비교적 발전된 유형의 원자로입니다. 가압 경수로 원전의 우라늄 연료 이용률이 1%-2%에 불과한 반면, 고속 중성자 원자로는 가압 경수로에서 생산된 산업용 플루토늄 239를 초기 충전으로 사용하여 비핵분열성 우라늄-238을 핵분열성 플루토늄 연료로 전환하는 원자로로, 중성자 육종로라고도 합니다.
(2) 전자 가속기
전자 가속기는 물리학에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 정전기 가속기는 일반적으로 보석을 조사하는 데 사용됩니다.
고전압 배율기
고전압 배율기는 주로 핵 데이터 측정, 중성자 및 하전입자 핵 반응, 중성자 활성화 분석, 전선 및 케이블 수정, 식품 및 과일 보존 등 다양한 재료의 전자빔 조사에 사용됩니다.
가속 입자에는 양성자, 수소, 산소, 질소 등이 포함됩니다. 5keV 이하 주입, N+ 는 머티리얼 속성을 변경할 수 있습니다.
전자 선형 가속기 ② 전자 선형 가속기
전자 선형 가속기는 일시적인 조사 효과, 반도체 재료(보석 포함)의 조사 변형, 식품 보존 등을 연구하는 데 사용됩니다. 높은 에너지(10~14MeV)와 높은 투과율이 장점입니다.
정전기 가속기 ③ 정전기 가속기
가속할 수 있는 입자에는 양성자, 중수자, 헬륨, 전자, 산소, 질소 등이 있습니다. 에너지 범위를 조절할 수 있으며 주로 핵 데이터 측정, 중성자 및 하전입자 핵반응 실험, 전자빔 조사, 이온 주입 등에 사용되며 진주와 같이 표면이 변형된 보석을 조사하는 데만 적합합니다.
사이클로트론 ④
사이클로트론은 주로 하전 입자 핵 반응과 관련된 실험과 하전 입자의 활성화 분석 및 재료 특성 테스트에 사용되는 고정 에너지 가속기로, 보석 연구에는 드물게 적용됩니다.
(3) 코발트 광원 조사 장치
코발트원 조사 장치는 방사성 동위원소에서 방출되는 방사선을 이용하는 도구입니다. 60Co와 7개의 광선을 사용하여 물질(광물, 결정, 유기물, 생물체 등)에 대한 방사선의 영향을 연구하고 이러한 물질에 방사선 처리를 수행합니다.
이 조사 소스는 에너지 소비가 적고 오염이 적으며 방사능 잔류물이 없습니다. 보석 조사 초기에 적용되었으며 특히 스모키 쿼츠의 조사에 적합합니다.
3. 조사 기술
원석을 조사할 때 원석은 원자로의 물리적 중심에 있는 시료 상자에 배치됩니다. 모터가 시료 상자를 지속적으로 회전시켜야 하며, 시료를 냉각시키기 위해 물의 온도가 50℃를 넘지 않도록 물 입구와 출구 장치가 있어야 합니다. 조사 장비와 공정은 그림 4-19에 나와 있습니다.
조사 과정에서 적절한 색조의 보석을 균일하게 채색하려면 보석을 조사할 때 다음 네 가지 주요 기술 문제를 준수해야 합니다:
(1) 균일한 제품 색상을 보장하려면 균일한 조사가 이루어져야 하며, 조사 중에 보석을 일정한 속도로 회전하거나 반복적으로 뒤집어야 합니다.
(2) 조사 중 과도한 온도로 인해 시료가 깨지거나 과열되는 것을 방지하려면 적절한 냉각 조치를 취해야 합니다. 여기에는 순환 냉각수를 추가하거나 주기적으로 샘플을 공기에 노출시켜 냉각하는 방법이 포함될 수 있습니다.
(3) 충분한 방사선량으로 색 깊이를 조절해야 합니다. 보석에 더 깊은 색상이 필요한 경우 반복 조사가 필요합니다. 조사량이 포화되기 전에 보석의 색 깊이는 조사량에 비례하며, 조사 시간이 길수록 보석의 색이 더 깊어집니다.
(4) 조사에 의해 개선된 색상은 빛과 열에 노출되면 불안정하고 퇴색하기 쉽습니다. 저온 가열 방법은 불안정한 색상 중심을 제거하면서 안정적인 색상 중심을 유지할 수 있습니다. 그러나 저온 가열 후 색상이 변하는 경우가 종종 있습니다. 예를 들어 토파즈는 갈색에서 파란색으로, 크리스탈은 갈색에서 노란색으로 변할 수 있습니다. 가열 온도를 제대로 제어하지 않으면 완전히 퇴색하여 조사 전 색상으로 되돌아갈 수 있습니다.
4. 조사 중 컬러 센터의 형성 및 제거
방사선을 조사하면 무색 결정에 공백색 중심이 생겨 연기가 자욱하거나 자주색이 될 수 있습니다. 조사 후 크리스탈에 형성되는 색상과 깊이는 크리스탈에 포함된 불순물의 종류와 함량에 따라 달라집니다. 무색 결정에 Al이 포함된 경우3+ 불순물이 포함되어 있으면 조사 후 연기가 자욱한 검은색으로 변하고, Fe3+ 불순물이 있으면 보라색으로 변합니다.
조사 후 색의 깊이는 보석의 불순물 함량과 관련이 있습니다. 불순물 함량이 높을수록 색상이 진해지고, 불순물 함량이 낮을수록 색상이 연해집니다.
(1) 컬러 센터의 형성 및 제거 과정
방사선 조사 처리 후 보석은 내부적으로 컬러 센터를 생성하여 색상 변화를 일으킵니다. 예를 들어 스모키 쿼츠의 경우 그림 4-20 (a)부터 그림 4-20 (d)까지의 에너지 준위 다이어그램에서 컬러 센터의 형성 및 제거 과정을 볼 수 있습니다. 색 중심을 형성할 때 전자는 상태 A에서 상태 D로 여기된 다음 많은 에너지가 필요한 상태 B로 여기됩니다. 색상 중심을 제거하거나 페이딩할 때 전자는 상태 B에서 상태 C로 이동한 다음 상태 A로 이동하는데, 이때도 상당한 에너지가 필요합니다. 이러한 색 중심은 형성 및 제거에 많은 에너지가 필요하지만 가시광선에서는 안정된 색 중심입니다.
그림 4-20 (e)와 같은 또 다른 상황도 있습니다. 이 시스템은 상태 /에서 상태 D로 여기한 다음 상태 B로 여기하여 색상 중심을 형성하는데 많은 에너지가 필요하지만, 상태 B에서 상태 C로 다시 상태 A로 이동하는 데는 매우 적은 에너지가 필요합니다. 그림 4-20 (f)는 상태 A에서 상태 D 및 상태 B로 색 중심을 형성하는 데 매우 적은 에너지가 필요하고 상태 B에서 상태 C로 다시 상태 A로 이동하는 데도 매우 적은 에너지가 필요함을 보여줍니다.
이 에너지는 가시광선 범위 내에 있습니다. 이 시스템은 가시광선이 비추면 에너지 장벽 C를 극복하고 퇴색할 수 있습니다. 빛을 흡수하고 여기 상태 E와 F로 전이되는 특성은 변하지 않지만 이러한 색은 모두 가시광선에서는 퇴색할 수 있습니다. 따라서 그림 4-12 (e)와 (f)의 색상 중심을 불안정 색상 중심이라고 합니다.
(2) 컬러 센터의 안정성
일반적으로 방사선 조사 처리 후 원석의 색상은 가열을 통해 원래의 색상으로 복원할 수 있습니다. 색 중심이 안정적인 보석은 더 높은 열처리 온도가 필요하고, 색 중심이 불안정한 보석은 더 낮은 열처리 온도가 필요합니다. 예를 들어 스모키 쿼츠는 일반적으로 스모키 색상을 제거하기 위해 140~280℃의 열처리 온도가 필요하지만(그림 4-21), 자수정은 일반적으로 400℃ 이상의 더 높은 열처리 온도가 필요합니다(그림 4-22). 따라서 조사된 자수정은 스모키 쿼츠보다 더 안정적입니다.
보석의 색 중심은 고정되어 있지 않으며, 방사선 조사 후 샘플이 퇴색하는 온도는 방사선원에 따라 다릅니다. 다른 원인에 의해 형성된 동일한 재료의 색상 중심 안정도도 다릅니다. 예를 들어, 인공 조사로 형성된 사파이어의 노란색 중심은 매우 불안정하며 가시광선 아래에서 빠르게 퇴색합니다. 그러나 자연적으로 발생하는 사파이어의 노란색 중심은 가시광선에서도 안정적이며 쉽게 퇴색하지 않습니다.
인공 조사는 선량이 높고 지속 시간이 짧은 반면, 자연 조사는 선량이 낮고 지속 시간이 길기 때문에 에너지 장벽 C의 높이가 달라집니다.
5. 방사선 조사로 인한 보석의 색상 변화
방사선 조사는 보석에 다양한 영향을 미쳐 보석의 종류에 따라 다양한 변화를 일으킵니다. 조사된 입자가 보석에 들어가면 보석 내부의 원자 또는 이온과 상호작용하여 구조나 이온 전하를 변화시켜 색이 변합니다. 방사선으로 인한 보석의 변화는 다음과 같은 측면을 포함합니다.
(1) 보석이 이미 발견한 자연스러운 색 중심을 형성하게 합니다.
방사선을 조사하면 천연 보석에 이미 존재하는 색 중심을 생성할 수 있지만, 천연 보석의 희소성으로 인해 자연에서 흔히 발견되지는 않습니다. 예를 들어 천연 블루 토파즈는 희귀합니다. 반면 방사선을 조사하여 생성된 블루 토파즈의 색은 빛, 열 등에 안정적이며 천연 블루 토파즈와 유사한 형성 메커니즘을 가지고 있습니다. 따라서 방사선 조사 블루 토파즈는 상업적 가치가 있으며, 현재 소량의 방사능 잔류물을 제외하고는 천연 블루 토파즈와 방사선 조사 블루 토파즈를 구별하는 효과적인 식별 방법이 발견되지 않았으며 천연 블루 토파즈와 동일한 효용 가치를 가지고 있습니다.
(2) 기존 컬러 센터 강화
방사선 조사 처리는 천연 보석에 형성된 색 중심을 강화하여 보석의 색상을 더욱 선명하게 만들 수 있습니다. 예를 들어, 천연 석영은 방사선 조사 처리 후 녹색과 보라색을 생성할 수 있습니다. 방사선 조사량과 조사 시간을 조절하면 원하는 색상을 얻을 수 있으며, 상온에서 안정적으로 유지되어 사용과 마모에 영향을 미치지 않습니다.
(3) 가열 및 빛 노출로 인해 희미해진 색상 중심 복원하기
방사선 조사와 열처리는 가역적인 반응으로, 일반적으로 방사선 조사로 형성된 색상은 열처리를 통해 방사선 조사 전의 색상으로 복원할 수 있습니다. 마찬가지로 추가 조사를 통해 원하는 색상을 얻을 수도 있습니다.
(4) 색상 코어와 관련이 없는 색상을 개선 및 제거합니다.
일반적으로 보석에 방사선 조사 처리를 할 때는 조사량과 시간 등 조사 조건을 조절하여 조사된 보석의 색상을 변화시킬 수 있습니다. 조사 후 색상의 안정성은 보석의 가치에 영향을 미치는 중요한 요소로, 보석의 불안정한 컬러 코어를 제거하면서 안정적인 컬러 코어를 얻기 위해 노력합니다.
(5) 이전에 발견되지 않은 자연스러운 컬러 코어 형성
보석 색상의 원인에 대한 사람들의 이해가 깊어지면서 방사선 조사 처리를 할 수 있는 보석의 종류가 지속적으로 증가하고 있으며 보석의 색상 변화도 더욱 다양해지고 있습니다. 방사선 조사는 천연 보석에 없는 컬러 코어를 생성하여 새로운 품종을 만들고 보석 색상의 새로운 메커니즘을 형성할 수 있다고 믿어집니다.
현재 많은 종류의 보석이 방사선 조사 처리에 일반적으로 사용되며 다이아몬드, 사파이어, 토파즈, 베릴, 지르콘, 크리스탈, 토르말린, 진주가 비교적 일반적입니다. 방사선 조사 처리 후 이러한 보석의 색상 변화는 표 4-3에 나와 있습니다.
표 4-3 조사된 보석의 일반적인 유형과 색상 변화
| 보석의 종류 | 방사선 조사 전후의 색상 변화 |
|---|---|
| 다이아몬드 | 무색, 밝은 노란색, 녹색, 파란색 또는 검은색, 갈색, 분홍색, 빨간색 |
| 사파이어 | 무색-노란색(불안정) |
| Beryl | 무색-노랑, 분홍, 황금색, 청록 등 |
| 아쿠아 마린 | 파란색 - 녹색, 하늘색 - 진한 파란색 |
| 토파즈 | 무색 - 갈색(불안정), 파란색; 노란색 - 분홍색, 주황색 빨간색 |
| 토르말린 | 무색, 밝은 노란색, 갈색, 분홍색, 빨간색, 녹색, 파란색 등 |
| 지르콘 | 무색~갈색, 연한 빨간색 |
| 크리스탈 | 무색~노란색, 황록색, 녹색, 스모키, 보라색 |
| Marble | 흰색, 노란색, 파란색, 보라색 |
| 진주 | 무색~회색, 갈색, 파란색 또는 검은색 |
6. 방사선 조사 처리가 보석에 미치는 영향
보석을 조사할 때는 조사 선량과 시간이 보석에 미치는 영향을 고려하는 것이 중요합니다. 보석의 종류에 따라 다른 조사 소스를 사용해야 하며 조사 시간은 원하는 색상에 따라 달라집니다. 조사 과정에서 다음 사항에 유의해야 합니다:
(1) 과도한 조사 에너지와 장시간의 조사 시간은 보석 결정의 색 중심 형성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 때때로 공극 응집으로 이어져 보석이 회색 또는 검은색으로 보일 수 있습니다.
(2) 조사 효과는 표면에서 내부로 향하며, 보석의 색은 바깥쪽에서 점차 짙어집니다. 조사 에너지가 너무 높으면 보석 표면의 이온이 충분한 에너지를 흡수하여 표면에서 분리되어 표면이 손상될 수 있습니다.
(3) 조사 에너지가 너무 높으면 보석에 국부적으로 고온이 빠르게 발생하여 표면이 깨질 수 있습니다.
(4) 보석 방사선 조사 처리 후 생성되는 방사성 잔류물은 조사 광선의 종류, 조사 선량 및 방사성 동위원소의 반감기와 관련이 있습니다. 방사성 잔류물은 시장에 출시되기 전에 국가 표준을 충족해야 합니다.
방사선 조사 후 보석 표면의 잔류 방사능은 방사선 노출 유형, 조사량, 시료의 불순물 종류 및 함량, 방사성 원소의 반감기와 관련이 있습니다. 방사선을 조사한 보석은 일정 기간 동안 보관해야 하며, 잔류 방사능이 국가 기준치 이하여야 판매할 수 있습니다. 국제방사선방호위원회에서 제정한 "방사선 방호 기준"에 따르면 천연 방사성 물질의 특정 활성도에 대한 면제 값은 국가마다 동일합니다. 천연 방사성 물질의 비활성도는 그램당 350Bq/g 미만이어야 하며, 인공 방사성 물질의 면제 기준은 국가마다 다른데, 영국은 100Bq/g 미만, 일본, 프랑스, 이탈리아는 인공 방사성 물질의 면제 기준을 74Bq/g 이하로 정하고 있습니다. 미국이 설정한 기준은 15Bq로 가장 낮습니다.
섹션 V 고온 및 고압 처리 방법
다이아몬드의 색상 최적화 처리에는 주로 방사선 처리와 고온, 고압 처리가 포함됩니다. 1930년부터 보석 품질의 다이아몬드 색상을 개선하기 위해 고에너지 방사선을 사용하는 상업적 처리 방법이 사용되었습니다. 방사선을 조사한 다이아몬드의 잔류 방사선은 인체에 해로울 수 있기 때문에 소비자들이 방사선을 조사한 보석을 받아들이는 데 제한이 있기 때문에 보석 학자들은 무해하고 실현 가능한 다이아몬드 색상 처리 방법을 찾기 위해 노력해 왔습니다. 처음에는 합성 다이아몬드에 고온 고압 방식을 사용했지만, 이후 다이아몬드의 성장 조건과 환경을 시뮬레이션하면 색상을 개선할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
1. 고온 고압 색상 수정의 역사
자연에서 대부분의 다이아몬드는 Ia형 브라운 다이아몬드이며, 자연적으로 발생하는 고품질의 무색 및 유색 다이아몬드는 드뭅니다. 다이아몬드의 희귀성, 색상, 광채로 인해 고품질 다이아몬드에 대한 수요는 더욱 높아졌습니다. 다이아몬드 색상의 변형은 항상 보석 연구자들의 연구 주제였습니다.
1960년대부터 미국, 일본, 러시아 등의 국가에서는 다이아몬드의 고온, 고압 변색에 대한 연구를 지속적으로 수행해 왔습니다. 제너럴 일렉트릭은 다이아몬드 색상 변화의 예측 가능성을 최초로 제안했습니다. 그 후 Nikitin 등(1969)은 고온 및 고압 처리 방법을 사용하여 Ia형 라이트 옐로우 다이아몬드를 옐로우 및 옐로우 그린 다이아몬드로 변형시켰습니다.
제너럴 일렉트릭과 드 비어스는 일련의 글로벌 천연 브라운 다이아몬드 색상 변경 방법을 발표했습니다. 그러나 이러한 브라운 다이아몬드는 대부분 IIa 타입이며, 양면 프레스를 사용하여 처리된 다이아몬드는 대부분 무색에 가깝고 약간의 회색 톤을 띠고 있습니다. 20세기 말, 노바 컴퍼니는 프리즘 프레스를 사용하여 타입 Ia 브라운 다이아몬드를 황록색, 녹색-노란색, 청록색, 분홍색 다이아몬드로 성공적으로 처리했습니다. 21세기에는 일부 학자와 기업에서 고온 및 고압 처리 방법을 적용하여 화학 기상 증착으로 합성된 다이아몬드의 색상을 개선하거나 변경하여 주로 노란색과 밝은 갈색 톤으로 처리했습니다. 러시아와 스웨덴과 같은 국가의 보석 회사들도 다이아몬드의 색상을 개선하기 위해 고온 및 고압 방법을 성공적으로 채택했습니다.
우리나라에서 다이아몬드의 고온, 고압 변색 기술은 비교적 늦게 시작되어 20세기 말에야 관련 연구가 시작되었습니다. 우리나라는 다이아몬드의 고온 및 고압 색상 변형에 대한 실험적 연구를 성공적으로 수행했습니다. 국내에서 일반적으로 사용되는 장비는 6면 프레스이며 압력 조건은 해외의 고급 실험 조건보다 여전히 낮지 만 조건이 적절하게 제어되는 한 브라운 다이아몬드를 무색 다이아몬드로 변환 할 수 있습니다.
2. 고온 및 고압으로 개선된 주요 유형
고온 고압 색상 변형 방법은 합성 다이아몬드의 조건과 유사하며, 샘플의 압력은 일반적으로 6GPa, 온도는 약 2100℃, 지속 시간은 30분을 넘지 않는 매우 짧은 시간입니다.
시중에서 흔히 볼 수 있는 두 가지 유형의 다이아몬드는 질소 함량이 낮은 IIa 타입의 브라운 다이아몬드로, 처리 후 색이 밝아져 화이트 다이아몬드로 변형되며, E, F, G 등의 컬러 등급으로 변경될 수도 있습니다. 일반적으로 레이저를 사용하여 다이아몬드 거들에 "GE-POL"이라는 문구가 표시되어 있으며, 보통 GE-POL 다이아몬드 또는 GE 처리 다이아몬드라고 하며, 다른 유형은 질소가 함유된 Ia 타입의 갈색 또는 불순한 황백색 다이아몬드를 컬러 다이아몬드로 변환하는 노바 다이아몬드입니다. 처리된 다이아몬드는 뚜렷한 녹색 성분 또는 선명한 노란색을 나타내며, 대부분 녹색 황색에서 황록색 스펙트럼에 속하며, 소수는 노란색 또는 갈색 황색을 띠며 종종 갈색에서 노란색의 팔면체 성장 패턴을 유지합니다. 이 두 가지 유형의 고온 및 고압 처리된 다이아몬드의 조건과 주요 식별 특징은 웹사이트의 다이아몬드 최적화 처리 방법 섹션 III (2)에서 확인할 수 있습니다(https://sobling.jewelry/unveiling-single-crystal-gemstones-like-sapphire-beryl-and-diamond/).
2010년부터 일부 대형 보석 회사에서는 고온 고압 방법을 사용하여 사파이어 원석의 색상 변형에 대한 실험적 연구를 시작했습니다. 사파이어 보석에 필요한 압력은 일반적으로 약 100MPa로 다이아몬드에 비해 상대적으로 낮기 때문에 블루 사파이어의 색상을 더욱 선명하게 만들 수 있습니다. 독일의 한 회사가 사파이어 보석을 처리하기 위해 2.5MPa의 낮은 압력을 최초로 사용했습니다. 한편 베릴은 저온 및 저압 가열을 통해 더 생생한 색상을 얻을 수 있습니다.
