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문제 정의
- 따라서 본 연구자 등은 가공과정을 거친 실물 유색 보석의 색상을 보다 정밀하고 신뢰성 있게 측정할 수 있는 방법을 개발하고자 여러가지 연구를 진행 중이며 본 논문에서는 그 일부인 기초 실험 결과부터 소개 하고자 한다. 시료로는 색상이 아름다우면서 가격이 저렴한 자수정을 사용하였으며, 분광광도계를 이용하여 색상을 측정하고 자료를 해석함으로써 유색보석의 색상을 정밀하게 측정하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다.
- 시료로는 색상이 아름다우면서 가격이 저렴한 자수정을 사용하였으며, 분광광도계를 이용하여 색상을 측정하고 자료를 해석함으로써 유색보석의 색상을 정밀하게 측정하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다. 판상과 실물 형태로 가공된 자수정 시료에 대하여 자외선~가시광선 영역의 빛을 조사(照射)하고 시료에 의하여 반사, 투과, 흡수되는 빛의 파장별 농도를 측정하고 이 자료로부터 인간의 눈이 느끼는 색감인 3자극치를 구한 다음 이를 근거로 CIE-xyY 값을 구하였으며, 그 결과를 육안관찰결과치와 비교하였다.
- 판상과 실물 형태로 가공된 자수정 시료에 대하여 자외선~가시광선 영역의 빛을 조사(照射)하고 시료에 의하여 반사, 투과, 흡수되는 빛의 파장별 농도를 측정하고 이 자료로부터 인간의 눈이 느끼는 색감인 3자극치를 구한 다음 이를 근거로 CIE-xyY 값을 구하였으며, 그 결과를 육안관찰결과치와 비교하였다. 아울러 색상 측정 결과에 미치는 시료 두께의 영향도 함께 고찰 하였다.
제안 방법
- Uv-Vis 분광광도계를 이용하여 색상을 측정하고 지료를 해석함으-로써 유색보석의 색상을 정밀하게 측정하기 위한 기초자료를 얻고자 판상과 실물형태로 가공된 자수정 시료에 대하여 자외선~가시광선 영역의 빛을 조사여《 射)하고 시료에 의하여 반사 또는 투과되는 빛의 파장별 농도를 측정하고 이 자료로부터 CIE-xyY 색상 값을 구하였으며, 그 결과를, 육안관찰 결괴치와 비교 고찰한 결과는 다음과 같다.
- 멀어지게 하는 것을 알았다. 따라서 시료 두께의 영향을 보다 정량적으로 평가하기 위하여 시편의 두께를 정획히 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm로- 조정하고 450 nm에서의 투과율과 반사율을 측정하여 그 상관관계를 조사하였으며 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
- 외국산 천연자수정 및 합성 자수정 원석은 국제적 보석 유통업체인 Manoel Bernards 를 통하여 수집하였으며, 국내산 시료는 국내 대표적인 자수정 광산인 울진, 동골, 언양의 광산 주변 채굴 적에서 직접 채취하였다. 또한, 색상 비교를 위하여 브라질산 황수정 시료도 수집하여 분석하였다.
- 먼저 판상시료와 실물시료를 시용하여 200-850 nm 파장의 빛에 대한 반사율과 투과율을 측정하여, 한국산업규격에서 정한 방법 [12, 13]으로 3자극치 X, Y, Z와 색도 좌표 X, y, z> 구하고 이들 자료로부터 CIE표색계 (CIE-xyY)를 구하였으며, 이 자료를 육안감별 결과와 함께 말굽형의 CIE xy Y색도좌표에 나타내어 비교하였다.
- 아래에 설명한다. 우선 얻어진 파장별 밝기 P(人) (반사율의 경우는 RQ), 투과율의 경우는 TQ))를 분광광도계를 이용하여 측정한다. 그리고 이 값에 등색함수 X, y, Z와 광원에 따른 분광분포 SQ)를 곱한다.
- 시료로는 색상이 아름다우면서 가격이 저렴한 자수정을 사용하였으며, 분광광도계를 이용하여 색상을 측정하고 자료를 해석함으로써 유색보석의 색상을 정밀하게 측정하기 위한 기초 자료를 얻고자 하였다. 판상과 실물 형태로 가공된 자수정 시료에 대하여 자외선~가시광선 영역의 빛을 조사(照射)하고 시료에 의하여 반사, 투과, 흡수되는 빛의 파장별 농도를 측정하고 이 자료로부터 인간의 눈이 느끼는 색감인 3자극치를 구한 다음 이를 근거로 CIE-xyY 값을 구하였으며, 그 결과를 육안관찰결과치와 비교하였다. 아울러 색상 측정 결과에 미치는 시료 두께의 영향도 함께 고찰 하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위하여 시용된 시료는 천연자수정과 합성 자수정이며 천연자수정은 국내에서 원석을 수집할 수 있는 8개국의 것을 사용하였다. 외국산 천연자수정 및 합성 자수정 원석은 국제적 보석 유통업체인 Manoel Bernards 를 통하여 수집하였으며, 국내산 시료는 국내 대표적인 자수정 광산인 울진, 동골, 언양의 광산 주변 채굴 적에서 직접 채취하였다.
- 분광광도계는 일본의 Jasco제 UV-VIS : V-55O을 사용하였으며, 광원으로는 표준광 D65[ll]를 사용하였고, 반사율 측정에는 미약한 반사광을 수집하여 분석할 수 있도록 고안된 적분구를 사용하였다.
- 수집된 8개국의 원석 시료들은 먼저 육안 감별로 대표성을 갖는 부분을 선정하여 적당한 크기로 cutting하고 facet cut[10] 형식으로 가공-연마하여 실물보석완성품 시료(이하 “실물시료”로 표기)로 하였다. 실물시료는 각 시료별로 2개씩을 준비하였다.
- “실물시료”로 표기)로 하였다. 실물시료는 각 시료별로 2개씩을 준비하였다. 판상시료는 diamond saw 를 이용하여 두께 LI mm 정도가 되도록 얇게 잘라낸 시료의 양면을 연마하는 괴정에서 두께가 정확히 1 mm가 되도록 조절하여 사용하였다(이하 “판상시료”로 표기).
- 것을 사용하였다. 외국산 천연자수정 및 합성 자수정 원석은 국제적 보석 유통업체인 Manoel Bernards 를 통하여 수집하였으며, 국내산 시료는 국내 대표적인 자수정 광산인 울진, 동골, 언양의 광산 주변 채굴 적에서 직접 채취하였다. 또한, 색상 비교를 위하여 브라질산 황수정 시료도 수집하여 분석하였다.
- 실물시료는 각 시료별로 2개씩을 준비하였다. 판상시료는 diamond saw 를 이용하여 두께 LI mm 정도가 되도록 얇게 잘라낸 시료의 양면을 연마하는 괴정에서 두께가 정확히 1 mm가 되도록 조절하여 사용하였다(이하 “판상시료”로 표기). 준비된 시료의 대표적인 형상을 Fig.
성능/효과
- 미세균열과 내포물 등 결정결함을 비교적 많이 함유한 시료인 중국산 자수정과 언양 자수정의 반사율곡선에서는 450 nm의 피크폭이 넓어지고 325 nm 부근에서 반사율이 다소 높아지는 경향을 보였다. 다른 시료에 비하여 Table facet의 면적이 넓은 동-골자수정, 마다기"스키르자수정, 우'루과이자수정, 브라질 자수정 등의 반사율 곡선은 다른 시료에 비하여 450 nm 피크가 크고 뚜렷한 경향을 보였다.
- 1) 자수정의 색상은 주로 450 nm를 최대치로 하는 투과율 또는 반사율고} 550 run를 최대치로 하는 흡수율의 조합에 의해 결정되는 것으로 판단되었다.
- 2) 실물시료로부터의 반사율은 10% 이하로 낮았으나 이를 획대하여본 결과 가시광선 영역인 400-700nm 범위에서는 투과율 곡선과 매우 유사하여 실물시료의 반사율만으로도 그 색상을 측정하는 것이 가능하였다.
- 3) 반사율 곡선에 있어서 결정결함을 많이 함유한 시료는 450nm의 피크폭이 넓어지는 경향을 보였으며, 반시 면적이 넓은 시료는 450 nm의 피크가 크고 뚜렷해지는 경향을 보였다.
- 4) 실물시료-를 측정하는 경우는 시료의 두께(광의 경로 기준)에 따라 투과율이 달라 색상값 중 명도를 의미하는 Y값에 영향을 미쳤으며 이때 두께(X)와 투과율 (Y)은 Y = 37.23 Exp[-x/2.32] + 61.43에 근사함을 알 수 있었고 근사도는 99.8 %였다.
- 5) 분광광도계를 이용하여 측정된 11종의 자수정 시료의 투과율 곡선과 반사율 곡선으로부터 색도좌표값을 구하고 이를 말굽형인 CIE xyY 색공간 위에 나타낼 경우, 동일 자수정으로부터 얻어진 4개의 좌표값(실물반사율-, 실물투과율, 판상반사율, 판상투과율)은 모두 (0.33, 0.33) 을 중심으로 방사상으로 전개되는 하나의 직선에 근사하였다. 또한 11종의 시료로부터 얻어진 44개의 좌표값은 (0.
- 또한, Table facet의 면적이 작거나 두께가 비교적 두꺼운 합성 자수정, 동골자수정, 울진자수정, 잠비아자수정 등의 투과율 곡선에서는 전체적으로 투과율 값이 낮게 나타나고, 325 nm의 피크가 미약한 반면 450 nm의 피크가 예리한 특징을 보였다. 결정결함을 비교적 많이 함유한 중국 산자수정과 언양자수정의 투과율 곡선에서는 450 nm와 325 nm의 피크가 모두 명료하지 않음을 보였다. Table facet의 면적이 넓거나 두께가 얇은 마다가스카르자수정, 자이레자수정, 우루과이자수정, 브라질자수정 등의 투과율 곡선은 325 nm 피크가 크고 뚜렷한 경향을 보였다.
- 2의 울진 자수정에서 실물 시료에 대한 반사율이 전파장에 걸쳐 매우 약한 것은 이와 같은 영향 때문이다. 그러나 반사율 또는 투과율이 낮은 경우에도 이를 확대하여 본 결과 울진자수정 실물시료의 투과율 곡선이 판상시료의 투과율곡선과 매우 유사한 패턴을 보이는 것과 같이 동일한 자수정에 대한 UV-Vis 흡수 곡선의 패턴은 거의 동일함을 확인할 수 있었다.
- 그림의 결과에서 두께가 증가할수록 반사율과 투과율은 모두 정량적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있으며, 4mm 두께의 시료에 대한 반사율만이 경향성을 벗어나는 결과를 보였다. 이는 주로 시료의 준비과정에서 부적절한 처리가 원인이 된 것으로 생각된다.
- 33) 을 중심으로 방사상으로 전개되는 하나의 직선에 근사하였다. 또한 11종의 시료로부터 얻어진 44개의 좌표값은 (0.18, 0.10), (0.30, 0.10), (0.33, 0.33)을 꼭지점으로하는 좁은 삼각형 내에 존재하여 분광광도계에 의한 색상측정 방법이 정밀도가 높은것으로 판단되었다. 그러나 육안감별로 얻어진 좌표값들은 광원조건 등의 영향으로 전체적으로 분광광도계에 의한 측정값 보다 오른쪽으로 치우치는 경향을 보였으며 측정오차도 커서 삼각형을 벗어나는 경우도 있었다.
- 따라서 자수정이 나타내는 색상은 주로 상기 피크들 중 가시광선 영역인 450 nm 550 nm에서의 투과율(또는 반사율) 과흡수율의 조합에 의해 결정되는 것으로 생각된다. 또한 측정 과정에서 실물시료의 반사율은 Table facet의 면적이 넓을수록 강한 경향을 나타내었으며, 실물시료의 투과율은 투과 길이 즉, 실물의 두께가 짧을수록 높은 경향을 나타내었다. Fig.
- 4의 결과에서 황수정은 350 nm 이하의 파장에서 0에 가깝던 투과율이 파장의 증가와 함께 증가하여 600 nm의 파장에서는 최대치인 70 %에 근접하였고 그 이상의 파장에서는 거의 일정 한 70%의 값을 나타내어 특정파장에서의 투과율 차이에 기인하는 피크는 전혀 나타나지 않았다. 또한, Table facet의 면적이 작거나 두께가 비교적 두꺼운 합성 자수정, 동골자수정, 울진자수정, 잠비아자수정 등의 투과율 곡선에서는 전체적으로 투과율 값이 낮게 나타나고, 325 nm의 피크가 미약한 반면 450 nm의 피크가 예리한 특징을 보였다. 결정결함을 비교적 많이 함유한 중국 산자수정과 언양자수정의 투과율 곡선에서는 450 nm와 325 nm의 피크가 모두 명료하지 않음을 보였다.
- 3의 결과에서 황수정은 전파장에 걸쳐 낮은 반사율을 나타내었고, 합성자수정의 경우는 450 nm 에서의 피크가 다소 낮을 뿐 전체적으로 울진 자수정과 매우 유사한 패턴을 나타내었다. 미세균열과 내포물 등 결정결함을 비교적 많이 함유한 시료인 중국산 자수정과 언양 자수정의 반사율곡선에서는 450 nm의 피크폭이 넓어지고 325 nm 부근에서 반사율이 다소 높아지는 경향을 보였다. 다른 시료에 비하여 Table facet의 면적이 넓은 동-골자수정, 마다기"스키르자수정, 우'루과이자수정, 브라질 자수정 등의 반사율 곡선은 다른 시료에 비하여 450 nm 피크가 크고 뚜렷한 경향을 보였다.
- 상기의 실험 결과에서 시료의 두께는 가시광선의 투과율 뿐만 아니라 반사율에도 영향을 미쳐 측정치를 말굽형 CIE-xyY 색공간에 plotting 할 경우 (x, y)좌표를 중앙점으로부터 멀어지게 하는 것을 알았다. 따라서 시료 두께의 영향을 보다 정량적으로 평가하기 위하여 시편의 두께를 정획히 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm로- 조정하고 450 nm에서의 투과율과 반사율을 측정하여 그 상관관계를 조사하였으며 결과를 Fig.
- 투과율 곡선에서는 투과면적이 작거나 두께가 두꺼운 시료는 325 nm의 피크가 미약한 반면 450 nm의 피크가 크고 뚜렷하며, 투과면이 커지면 325 nm의 피크가 명료해지는 경향을 보였다.
- 파장별 투과율 변화를 나타낸 Fig. 4의 결과에서 황수정은 350 nm 이하의 파장에서 0에 가깝던 투과율이 파장의 증가와 함께 증가하여 600 nm의 파장에서는 최대치인 70 %에 근접하였고 그 이상의 파장에서는 거의 일정 한 70%의 값을 나타내어 특정파장에서의 투과율 차이에 기인하는 피크는 전혀 나타나지 않았다. 또한, Table facet의 면적이 작거나 두께가 비교적 두꺼운 합성 자수정, 동골자수정, 울진자수정, 잠비아자수정 등의 투과율 곡선에서는 전체적으로 투과율 값이 낮게 나타나고, 325 nm의 피크가 미약한 반면 450 nm의 피크가 예리한 특징을 보였다.
후속연구
- 그러므로 아무리 정확한 방법을 동원하여 색상을 측정할 지라도 그 결과가 육안 측정결과와 전혀 다르다면 그 활용도는 제한적일 수밖에 없다. 따라서 앞으로 육안감별 결과와 분광광도계에 의한 측정 결과가 일치할 수 있도록 조명조건에 따른 상관관계를 구하는 등의 심도 있는 연구가 필요하다고 생각된다.
- 그러나 육안감별로 얻어진 좌표값들은 광원조건 등의 영향으로 전체적으로 분광광도계에 의한 측정값 보다 오른쪽으로 치우치는 경향을 보였으며 측정오차도 커서 삼각형을 벗어나는 경우도 있었다. 따라서 앞으로 육안감별 결과와 분광광도계에 의한 측정결과가 일치할 수 있도록 조명조건에 따른 상관관계를 구하는 등의 심도 있는 연구가 필요하다.
- 이러한 실험 결과들은 실물형태로 가공된 보석의 색상을 반사광을 이용하여 측정하고자 하는 경우 반사면의 각도와 조도(roughness)외에 시료의 두께, 반사면의 면적, 내포물 등도 측정결과에 영향을 미침을 의미하며 따라서 앞으로 이들의 영향을 보다 정량적으로 측정하여 색상측정 결과에 반영하여야만 보다 정확하고 재현성 있는 색상의 측정이 가능할 것으로 생각된다.
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