[논문]열처리 후 플럭스 사파이어와 천연 사파이어의 비교 분석

김기인; 안용길; 서진교; 박종완

열처리 후 플럭스 사파이어와 천연 사파이어의 비교 분석
Comparison of flux and natural sapphire after heat-treatment 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.19 no.3, 2009년, pp.152 - 158

김기인 (한양대학교 공학대학원 보석학과) , 안용길 (한양대학교 공학대학원 보석학과) , 서진교 (한양대학교 공과대학 신소재공학과) , 박종완 (한양대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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산업용 뿐만 아니라 보석용으로 가치가 있는 사파이어는 매우 다양한 방법으로 합성 사파이어를 만들어 왔다. 그 중 천연 사파이어와 매우 유사하며 보석용으로 가치가 높은 Chatham사의 플럭스 사파이어를 사용하여 천연 사파이어와 비교하였다. 먼저 WD-XRF(Wavelength dispersive x-ray fluorescence spectrometer)를 사용하여 천연과 합성의 화학 조성을 비교하였다. 천연 사파이어는 화학 조성이 매우 다양하였으나 플럭스 사파이어는 천연과 유사한 화학 성분과 특히 Mo, Pt, Pb 미량원소가 검출되었다. Pt는 플럭스 사파이어라는 결정적인 증거가 된다. 다음으로 $1300^{\circ}C$와 $1500^{\circ}C$의 고온에서 열처리를 한 후 자외선-가시광선 분광광도계(UV-VIS Spectrophotometer)를 사용하여 분광학적 특성을 조사함으로써 천연 사파이어는 $Cr^{3+}$와 관련된 약 690nm의 형광과 관련된 흡수 피크의 변화를 관찰할 수 있었고 플럭스 사파이어는 $Cr^{3+}$와 관련된 약 690nm의 피크와 376nm, 388nm의 $Fe^{3+}$의 흡수 피크가 변화함을 볼 수 있었다. 고온 열처리에 의해 플럭스 사파이어의 흡수 피크의 변화가 천연 사파이어의 흡수 피크의 변화보다 더 큰 것을 알 수 있었다 화학조성 및 분광분석 실험을 통하여 천연 사파이어와 flux 합성 사파이어의 특성을 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various fabrication methods have been used to synthesize sapphire which has qualities of jewelry well beyond the industrial class. Among them, the flux sapphire of Chatham Company which has as high value as jewelry was selected in order to compare natural and synthetic sapphire. First, the WD-XRF (Wavelength dispersive x-ray fluorescence spectrometer) was used to analyze the chemical composition of natural and synthetic sapphire. Although natural sapphire had very diverse chemical compositions, flux sapphire had small quantities of Mo, Pt and Pb elements in addition to the similar chemical ingredients to natural one. Pt is decisive proof of flux sapphire. Next, by investigating spectroscopic characteristics using UV-VIS Spectrophotometer after heat treatment at high temperatures of $1300^{\circ}C$ and $1500^{\circ}C$, the variation of 690 nm absorbance related to $Cr^{3+}$ was detected in the natural sapphire while those of the 690 nm absorbance (related to $Cr^{3+}$) as well as absorbance of 376 nm and 388 nm ($Fe^{3+}$) were seen in the flux sapphire. It was found that the difference in the absorbance variation of flux sapphire is greater than that of natural sapphire after heat treatment. The chemical composition and spectrum analysis were utilized to compare the natural sapphire and the flux synthetic sapphire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 천연 사파이어와 현재 천연과 유사하고 보석용 품질로 우수한 Chatham사의 synthetic corundum 을 사용하여 화학적인 구성 성분을 분석하고 광학현미경을 통해 inclusion 분석 및 분광학적 분석을 하고자 한다. 또한 1300℃에서 열처리하는 A군과 1500℃에서 열처리하는 B군으로 나누어 inclusion의 변화를 조사하고 분광학적 분석을 통해 특성을 비교 분석하고자 한다.

제안 방법

100배 배율의 광학현미경과 디지털 카메라의 광학 확대 기능을 사용하여 3000昭 광원으로 투과조명과 반사 조명 조건 하에서 시료를 관찰하였으며, Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 표면 상태와 내부에 존재하는 inclusion을 관찰하였다. 본 연구에서 사용된 Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 시편은 모두 inclusion0] 관찰되었다.
3.1과 동일한 조건인 100배 배율의 광학현미경과 디지털 카메라의 광학 확대 기능을 사용하여 3000 K의 광원으로 투과조명과 반사조명 조건 하에서 시료를 관찰하였다. 일반적으로 sapphire!- 열처리를 하면 내부 inclusion 이 팽창하여 stress fracturee)- 만들어지게 된다.
Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 굴절률, 화학조성, inclusion, 분광학적 특성을 연구하고 또한 1300℃와 1500℃에서 열처리를 통하여 inclusion 및 분광학적 특성 변화를 관찰하였다. 첫째로 Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 WD-XRF(Wave- length dispersive x-ray fluorescence spectrometer)를 이용하여 flux sapphire와 natural sapphire의 화학조성을 비교하며 Fe, Cr, Ti 등의 중요 color center와 관련이 있는 화학조성을 중점적으로 확인하였다.
SFPCS(Syn- thetic flux pink-color sapphire)군■의 핑크 synthetic sapphire는 lOCts의 Chatham flux pink sapphire를 연마하여 6pcs로 만들었다. 총 4개의 실험군으로 각각 6개의 시료이며 총 24개의 시료를 사용하였다.
84 mm 마다가스카르의 corundum을 사용하였다. 각 실험군의 시편은 1300℃에서 열처리하는 A군와 1500℃에서 열처리하는 B군으로 나누어 비교 분석하였다[5]. A군과 B군은 각각 3개씩 시편으로 분류하였다.
배율이 100배인 광학 현미경을 이용하여 inclusion 검사를 실시하였다. 광학적 특성분석을 위해 자외선-가시광선 분광광도계 (UV-VIS spectrophotometer)을 이용하여 Chatham 사의 flux sapphire와 natural sapphire의 특성을 분석하였다. 그리고 분석된 시편을 고온 전기로를 사용하여 산화 환경에서 시간당 180℃씩 온도를 높여 A군은 각 실험군에서 시편 3개씩을 사용하여 1300℃에서 2시간, B군은 각 실험군에서 나머지 시편 3개씩을 사용하여 1500℃에서 2시간 동안 두었다[5].
광학적 특성분석을 위해 자외선-가시광선 분광광도계 (UV-VIS spectrophotometer)을 이용하여 Chatham 사의 flux sapphire와 natural sapphire의 특성을 분석하였다. 그리고 분석된 시편을 고온 전기로를 사용하여 산화 환경에서 시간당 180℃씩 온도를 높여 A군은 각 실험군에서 시편 3개씩을 사용하여 1300℃에서 2시간, B군은 각 실험군에서 나머지 시편 3개씩을 사용하여 1500℃에서 2시간 동안 두었다[5]. 그리고 자연상태로 상온에 이르게 하여 시료를 회수하였다.
그리고 분석된 시편을 고온 전기로를 사용하여 산화 환경에서 시간당 180℃씩 온도를 높여 A군은 각 실험군에서 시편 3개씩을 사용하여 1300℃에서 2시간, B군은 각 실험군에서 나머지 시편 3개씩을 사용하여 1500℃에서 2시간 동안 두었다[5]. 그리고 자연상태로 상온에 이르게 하여 시료를 회수하였다. 시료는 서로 섞이지 않게 순서를 정하여 알루미나 도가니에 배열하였다.
또한 1300℃에서 열처리하는 A군과 1500℃에서 열처리하는 B군으로 나누어 inclusion의 변화를 조사하고 분광학적 분석을 통해 특성을 비교 분석하고자 한다. 이 연구 결과는 Chatham사의 flux sapphire를 열처리하여 분광학적 특성을 조사함으로 해 flux sapphire와 관련하여 중요한 자료가 될 것이다.
첫째로 Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 WD-XRF(Wave- length dispersive x-ray fluorescence spectrometer)를 이용하여 flux sapphire와 natural sapphire의 화학조성을 비교하며 Fe, Cr, Ti 등의 중요 color center와 관련이 있는 화학조성을 중점적으로 확인하였다. 배율이 100배인 광학 현미경을 이용하여 inclusion 검사를 실시하였다. 광학적 특성분석을 위해 자외선-가시광선 분광광도계 (UV-VIS spectrophotometer)을 이용하여 Chatham 사의 flux sapphire와 natural sapphire의 특성을 분석하였다.
본 연구에서 사용한 장비는 Rigaku사의 ZSX Primus II 기기이며 샘플의 정확한 분석을 위하여 수냉식 냉각기를 이용하여 저온상태를 만들어 주었으며 Rh target를 이용 50 kV, 70 mA의 조건에서 측정을 실시하였다. 특히 Chatham사의 flux sapphire는 Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Ga, V, Mo 성분이 함유돼 있다[6].
그리고 자연상태로 상온에 이르게 하여 시료를 회수하였다. 시료는 서로 섞이지 않게 순서를 정하여 알루미나 도가니에 배열하였다. 첨가제나 화학적인 반응을 일으킬 수 있는 분말성분을 사용하지 않았다.
열처리 후 시료의 파괴 혹은 변형은 없었다. 열처리 후 inclusion의 변화를 확인하고 분광학적 특성을 비교 분석하는 과정으로 실험을 실시하였다.
천연 sapphire와 Chatham사의 flux sapphire를 사용하여 주요한 화학적 성분 또는 보석학적 분류 작업, 보석 inclusion 분석 및 분광학적 분석을 통해 특성을 파악하고, 무색과 pink 색조 띄는 시편을 고온의 열처리 실험을 통하여 사파이어 내부에 존재하는 전이원소의 원자가를 변화시켜 줌으로써 시편의 특성을 변화 시키고자 하는 실험을 하였으며 결과는 다음과 같다.
특성 변화를 관찰하였다. 첫째로 Chatham사의 flux sapphire와 natural sapphire의 WD-XRF(Wave- length dispersive x-ray fluorescence spectrometer)를 이용하여 flux sapphire와 natural sapphire의 화학조성을 비교하며 Fe, Cr, Ti 등의 중요 color center와 관련이 있는 화학조성을 중점적으로 확인하였다. 배율이 100배인 광학 현미경을 이용하여 inclusion 검사를 실시하였다.
시료의 미량원소 Wt%는 Table 1~3 에서 볼 수 있다. 표준시편이 구비되어 있지 않아 Semi 정량분석을 실시하였다. Table 3은 flux sapphire 를 연마하기 전 합성원석을 분석한 값이다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 사파이어 시편은 NNCS(Natural noncolor sapphire)군의 천연 무색 sapphire 6pcs, NPCS CNatural pink-color sapphire)의 천연 핑크 sapphire 6pcs이며, SFNCS(Synthetic flux non-color sapphire) 군의 무색 synthetic sapphire는 llCts의 Chatham flux 무색 sapphire> 연마하여 6pcs로 만들었다. SFPCS(Syn- thetic flux pink-color sapphire)군■의 핑크 synthetic sapphire는 lOCts의 Chatham flux pink sapphire를 연마하여 6pcs로 만들었다.
총 4개의 실험군으로 각각 6개의 시료이며 총 24개의 시료를 사용하였다. 시편은 0.330~ 0.732ct, 지름 5.35-6.05 mm, 높이 1.12~1.23mm인 Chatham사의 synthetic corundum와 0.210~0.553ct, 지름 3.65~7.65mm, 높이 1.16-1.84 mm 마다가스카르의 corundum을 사용하였다. 각 실험군의 시편은 1300℃에서 열처리하는 A군와 1500℃에서 열처리하는 B군으로 나누어 비교 분석하였다[5].
SFPCS(Syn- thetic flux pink-color sapphire)군■의 핑크 synthetic sapphire는 lOCts의 Chatham flux pink sapphire를 연마하여 6pcs로 만들었다. 총 4개의 실험군으로 각각 6개의 시료이며 총 24개의 시료를 사용하였다. 시편은 0.

성능/효과

공통적인 미량원소외의 화학성분으로는 NPCS1 시료에서 W이 검출되었다. NPCS2-NPCS3- NPCS4 시료에서는 Ga가 검출되었고 NPCS2-NPCS3 시료에서 Zr가 검출되었다. NNCS2-NNCS6 시료에서는 Mg이 검출되었다.
고온의 열처리 실험을 통하여 Fe財로 존재하던 철 성분들이 Fe?+에서 Fe”로 원자가 변화를 가져 왔으며 Fe3+ 흡수율이 모든 사파이어 시편에서 증가하는 것을 확인할 수 있다[11]. 또한 Cr”와 관련된 약 690 nm의 흡수 피크가 모든 시편에서 증가하는 것을 확인하였다. 특히 flux sapphire의 absorbance 변화가 천연의 sapphire보다 크다는 점은 유의해볼 수 있다.
본 연구에서 확인 하고자 했던 천연과 합성을 구분해낼 수 있는 중요한 결과를 나타내는 inclusion 분석을 하였으며, 그 결과 flux sapphire에서는 flux fingerprint, flux inclusion, metal inclusion 존재를 확인 하였으며, 천연 sapphire에서는 fingerprint, feather, crystal inclusion 존재를 확인 하였다. 열처리 후 inclusion의 변화가 있었으며 stressS.
화학분석을 통하여 천연 sapphire 내에 Al, Si, P, Ca, Cr, Fe과 몇몇 시료에서는 W, Ga, Zr, Mg의 성분들이 함유 되어 있는 것을 확인 하였으며, flux sapphire 내에는 Al, Ca, Fe, Ni, Mo과 Cr, Ga, Pt, Pb의 미량원소 성분들이 내부에 존재 하고 있는 것을 확인 하였다. 그리고 고온의 열처리 실험 이후 화학성분 분석에서 전과 후의 결과가 동일한 결과를 나타내었다.

후속연구

또한 1300℃에서 열처리하는 A군과 1500℃에서 열처리하는 B군으로 나누어 inclusion의 변화를 조사하고 분광학적 분석을 통해 특성을 비교 분석하고자 한다. 이 연구 결과는 Chatham사의 flux sapphire를 열처리하여 분광학적 특성을 조사함으로 해 flux sapphire와 관련하여 중요한 자료가 될 것이다.

참고문헌 (11)

G.S. Yoo, Y.S. Kim and S.J. Kim, Ceramics Material Science (1997) 51
John L. Emmett, Kenneth Scarratt and Shane F, 'Gems & Gemology', Summer (2003) 84
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S.J. Kim, "Science of Material" (1996) 294
U Hla Kyi, P. Buchholz and D. wolf, "Heat treatment of milky sapphires from the Mogok stone tract, Myanmar", J. Gemm. (1998) 313
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C. Karr, "Infrared and raman spectroscopy of lunar and terrestrial minerals", Academic Press (1987) 39
Karl Schmetzer and Dietmar Schwarz, "The causes of colour in untreated, heat treated and diffusion treated orange and pinkish-orange sapphires", J. Gemm (2004) 149
Takele Seda1 and G.R. Hearne, "Phys: Condens", Matter 16 (2004) 2707
E. Fritsch and M. Mercer, "Blue color in sapphire caused by $Fe^{2+}$ / $Fe^{3+}$ intervalence charge transfer", Gem & Gemology (1993) 229
John L. Emmett, Kenneth Scarratt, Shane F. McClure, Thomas Moses, Wuyi Wang and Robert E. Kane, "Beryllium diffusion of ruby and sapphire", Gem & Gemology (2003) 91

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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