[논문]새롭게 표면처리된 유색 토파즈의 특성

이보현; 구창식; 연석주; 최현민; 김영출; 김선희

doi:10.6111/jkcgct.2013.23.2.81

새롭게 표면처리된 유색 토파즈의 특성
Properties of colored topaz by new surface treatment 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.23 no.2, 2013년, pp.81 - 85

이보현 (한미보석감정원) , 구창식 (동신대학교 보석공학과) , 연석주 (동신대학교 보석공학과) , 최현민 (한미보석감정원) , 김영출 (한미보석감정원) , 김선희 (한국과학기술연구원)

초록
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새로운 표면처리로서 TCF(thermal color fusion) 기술이 적용된 스와로브스키사의 패션 토파즈(passion topaz)의 코팅 층 성분과 적층구조를 파악하기 위해 ED-XRF와 TOF-SIMS 분석을 실시하였다. 더불어 감별특징 관찰을 위한 확대검사와 내구성 평가를 미스틱 토파즈(mystic topaz)와 비교 분석하였다. 그 결과, 패션 토파즈에서도 미스틱 토파즈에서 보이는 유사한 특징들이 확대검사를 통해 관찰되었고, TOF-SIMS에 의한 depth profile 분석 결과에서 토파즈 표면으로의 확산코팅과 다층구조 코팅이 되어있음을 알 수 있었다. 또한 패션 토파즈는 금속 원소간의 화학반응에 의한 코팅처리로 미스틱 토파즈 보다 화학약품에 대한 안정적인 특성과 높은 모스경도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We performed analysis of composition and structure of coating layers by using ED-XRF and TOF-SIMS for some passion topaz of Swarovski which developed recently as new surface treatment of TCF (thermal color fusion) technique. In addition, we compared differences between Ti-coated topaz (Mystic topaz) and new treated colored topazes (passion topaz) with magnification observation and simplified durability test. As a result, we can observe similar characteristic clues in Ti-coated topaz and passion topaz by magnified observation. According to results of depth profile by TOF-SIMS, we can know that topaz is treated by multi-layer coating or surface diffusion coating. Moreover, the passion topaz which is treated by chemical reaction between metal elements shows more stable chemical resistance and higher Mohs' hardness than Ti-coated topaz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 Ti 코팅된 미스틱 토파즈(mystic topaz)와 스와로브스키사의 패션 토파즈를 분석하여 새롭게 개발된 처리법의 특징을 파악하고자 하였다. 더불어 다양한 색상구현을 위해 사용된 금속원소의 분석 및 물리화학적 특성을 비교하고자 하였다.
또한 화학적·물리적 내구성면에서 확산처리법과 금속코팅법의 중간적 특성을 보이는 것으로 보고되어 있으며, 패션 토파즈(passion topaz)라는 상업명으로 유통되고 있다[8]. 따라서 본 연구에서는 기존의 Ti 코팅된 미스틱 토파즈(mystic topaz)와 스와로브스키사의 패션 토파즈를 분석하여 새롭게 개발된 처리법의 특징을 파악하고자 하였다. 더불어 다양한 색상구현을 위해 사용된 금속원소의 분석 및 물리화학적 특성을 비교하고자 하였다.
본 연구에서는 새로운 표면 처리법에 의한 패션 토파즈를 미스틱 토파즈와의 비교분석을 통해 그 특성을 알고자 하였다. 패션 토파즈는 금속(Ti) 코팅 처리된 미스틱 토파즈와 유사하게 간섭현상 및 스크래치 등이 관찰되었다.
본 연구에서는 코팅 층을 이루고 있는 물질의 종류와 구조에 대해 알아보고자 TOF-SIMS 분석을 행하였다. 패션 토파즈 중 확산층에 의해 코팅되었을 것으로 생각되는 vivid blue 색상(No.

제안 방법

분석조건은 Sputter parameter가 Cs(3 keV, 25 nA), area는 200 × 200 µm²이었으며, analysis parameter는 Bi1(25 keV, 1 pA), area는 50 × 50 µm²이었다. TOF-SIMS 분석 후, crater의 깊이는 scan profiler(P-2, KLA-Tencor)로 측정하였다.
7)을 각각 분석하였다. Ti 성분이 코팅된 미스틱 토파즈는 코팅 구조의 비교를 위해 함께 분석하였다.
물리적 내구성을 비교하기 위해 모스 경도를 측정하였다. 미스틱 토파즈는 5로 측정되었으나 패션 토파즈는 5이상으로 색상별로 다른 경도를 보였다.
물리적 내구성평가를 위하여 모스경도 측정을 행하였고, 화학적 내구성 평가를 위하여 알코올, 염산용액(약 10 % HCl), 차아염소산용액(약 5 % NaClO), 18 K 시금(試金)액, 금·은전용 세척액과 같은 화학약품에 침적시킨 후, 시간 경과에 따른 코팅물질의 변화여부를 관찰하였다.
Table 2에 그 결과를 나타내었다. 색상별로 다른 경도가 나타난 것은 패션 토파즈의 색 발현을 위해 사용된 코팅 방법의 차이일 것으로 생각되어 depth profile 분석을 하였으며 이를 다음 장에 나타내었다.
색상에 따른 발색원소의 성분을 알아보고자 ED-XRF(Energy Dispersive X-ray Fluorescence, Ukraine) 분석을 행하였고 코팅물질의 정확한 비교를 위하여 코팅이 되어있지 않은 크라운 부분과 금속성분이 코팅된 퍼빌리언 부분을 비교하였다.
본 연구에서는 코팅 층을 이루고 있는 물질의 종류와 구조에 대해 알아보고자 TOF-SIMS 분석을 행하였다. 패션 토파즈 중 확산층에 의해 코팅되었을 것으로 생각되는 vivid blue 색상(No. 10)과 TCF 공법에 의한 세라믹층의 형성이 가장 유력한 Zr 원소가 함유된 purplish red 색상(No. 7)을 각각 분석하였다. Ti 성분이 코팅된 미스틱 토파즈는 코팅 구조의 비교를 위해 함께 분석하였다.
화학적 내구성 평가를 위하여 알코올, 염산용액(약10 % HCl), 차아염소산용액(약 5 % NaClO), 18 K 시금액, 금·은 전용 세척용 화학약품에 침적시킨 후, 시간경과에 따른 코팅물질의 변화여부를 관찰하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 11종류의 패션 토파즈(직경 3 mm, 라운드 브릴리언트 컷(round brilliant cut))를 사용(0.13~0.14 ct)했으며, 7개의 미스틱 토파즈(Ti-coated mystic topaz)를 사용(2.4~5.7 ct)하였다.

이론/모형

코팅된 물질의 적층구조 및 depth profile을 알아보기 위한 분석장비[9, 10]로 TOF-SIMS(Time-of-flight secondary ion mass spectrometry, Germany)를 사용하였다. 분석조건은 Sputter parameter가 Cs(3 keV, 25 nA), area는 200 × 200 µm²이었으며, analysis parameter는 Bi1(25 keV, 1 pA), area는 50 × 50 µm²이었다.

성능/효과

1(b)는 Fig. 1(a)의 결과를 3D image로 나타낸 것으로 토파즈 위에 Ti 금속성분이 존재함을 알 수 있으며, 토파즈와 Ti 코팅 층과의 경계가 명료함을 알 수 있다.
11종류의 패션 토파즈와 7개의 미스틱 토파즈의 코팅되지 않은 부분(크라운 면)을 ED-XRF로 분석한 결과, 주성분Al₂SiO₄(F,OH)₂에 해당되는 Al과 Si가 검출되었고 Ge이 소량 존재하였다. 코팅된 부분인 퍼빌리언 부분을 측정한 결과에서는 크라운 부분에 존재하지 않았던 금속원소가 확인되었으며, 7개의 미스틱 토파즈에서는 Ti만이 검출되었고, 패션 토파즈에서는 Table 1에서와 같이 다양한 금속원소가 관찰되었다.
Depth profiler를 통해 측정된 crater로 코팅 층의 깊이를 계산한 결과, 미스틱 토파즈는 305 nm, vivid blue 패션 토파즈(No. 10)는 116 nm, TCF 공법에 의한 purplish red 패션 토파즈(No. 7)는 110 nm였다.
1(a)는 미스틱 토파즈의 depth profile 결과로 X축은 측정시간, Y축은 노멀라이제이션(normalization) 강도를 나타낸다. 결과에서 보이는 바와 같이 1000s 부근까지 Ti 금속이 일정한 강도로 나타났으며, 1000s 이후에 Ti 성분이 감소함과 동시에 토파즈의 주성분에 해당하는 Al과 Si가 나타났다. Fig.
미스틱 토파즈는 5로 측정되었으나 패션 토파즈는 5이상으로 색상별로 다른 경도를 보였다. 그 중 청색 계열의 색상은 다른 색상에 비해 비교적 높은 경도를 보였으며 vivid blue 토파즈는 모스 경도 7이었다. 한편 purplish red 토파즈는 모스 경도 6으로 상대적으로 낮은 경도값을 보였으며 light brown 토파즈가 가장 낮은 경도값을 보였다.
패션 토파즈는 금속(Ti) 코팅 처리된 미스틱 토파즈와 유사하게 간섭현상 및 스크래치 등이 관찰되었다. 그러나 미스틱 토파즈에 비해 코팅층이 약 3배정도 얇음에도 불구하고 높은 경도와 좋은 내약품성을 보였다. 패션 토파즈의 이러한 특성은 depth profile에서 관찰된 코팅물질로 사용된 금속 원소들의 화학 결합력과 이를 이용한 다층구조의 코팅 층의 영향으로 내구성을 향상시킨 것으로 사료된다.
이와 같이 패션 토파즈는 물리적·화학적으로 미스틱 토파즈와 비교하여 보다 안정된 특성을 보임을 알 수 있었다.
일부 패션 토파즈에서는 금속코팅의 흔적으로 보이는 간섭색과 벗겨짐이 현미경을 통한 확대검사에서 관찰되었으며, 침적 테스트에서는 색상을 발현하는 금속코팅이 퍼빌리언 면에만 되어있음을 확인할 수 있었다. 미스틱 토파즈에서는 천연에는 존재하지 않는 무지개 색상과 더불어 금속코팅 특유의 광택과 간섭색이 관찰되었으며, 시료 중 일부는 크라운과 퍼빌리언 양쪽 모두에 코팅이 되어있었다.
에 해당되는 Al과 Si가 검출되었고 Ge이 소량 존재하였다. 코팅된 부분인 퍼빌리언 부분을 측정한 결과에서는 크라운 부분에 존재하지 않았던 금속원소가 확인되었으며, 7개의 미스틱 토파즈에서는 Ti만이 검출되었고, 패션 토파즈에서는 Table 1에서와 같이 다양한 금속원소가 관찰되었다. 이 중 청색을 띠는 토파즈는 확산처리에 의한 색상이라 보고되고 있다[8].
패션 토파즈는 미스틱 토파즈에 비해 금속층의 두께가 약 3배 정도 얇음에도 불구하고 물리적·화학적으로 보다 안정된 특징을 보였다. 이는 일부 금속층간의 확산에 의한 화학결합에 의해 내구성이 강한 코팅 층이 형성되었기 때문으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 수행한, TCF 기술이 적용된 스와로브스키사의 패션 토파즈의 코팅 층 성분과 적층구조를 파악하기 위해 ED-XRF와 TOF-SIMS 분석을 실시하고, 감별특징 관찰을 위한 확대검사와 내구성 평가를 미스틱 토파즈와 비교 분석한 결과는 어떠한가?	더불어 감별특징 관찰을 위한 확대검사와 내구성 평가를 미스틱 토파즈(mystic topaz)와 비교 분석하였다. 그 결과, 패션 토파즈에서도 미스틱 토파즈에서 보이는 유사한 특징들이 확대검사를 통해 관찰되었고, TOF-SIMS에 의한 depth profile 분석 결과에서 토파즈 표면으로의 확산코팅과 다층구조 코팅이 되어있음을 알 수 있었다. 또한 패션 토파즈는 금속 원소간의 화학반응에 의한 코팅처리로 미스틱 토파즈 보다 화학약품에 대한 안정적인 특성과 높은 모스경도를 보였다.
	토파즈는 어디에서 산출되는가?	토파즈(Al2SiO4(F,OH)2)는 화강암의 부수 광물로서 산출되기도 하며, 페그마타이트, 유문암(流紋巖), 기타 알루미늄을 함유하는 암석에서 뿐만 아니라 열수작용에 의해 생성되는 암석 중에서도 산출된다[1]. 이러한 성인의 차이는 토파즈의 광학적, 화학적, 결정학적 특징의 차이로 나타나며, F타입, OH타입으로도 분류되고 있다[2].
	토파즈의 특징은 무엇인가?	이러한 성인의 차이는 토파즈의 광학적, 화학적, 결정학적 특징의 차이로 나타나며, F타입, OH타입으로도 분류되고 있다[2]. 다양한 천연색상의 토파즈가 산출되고 있으나, 보석용으로 사용될만한 품질은 제한적이며, 대부분 무색이거나 색상이 명료하지 않고 옅은 것들이 많다. 이러한 품질의 토파즈는 색상 개선을 위해 주로 코팅이나 방사선 조사가 이루어지고 있다[3, 4].

참고문헌 (14)

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상세보기
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R. Chen and X. Song, "Preparation of nanostructural $ZrO_2$ -coated $SiO_2$ particles by layer-by-layer assembly technique", Journal of the Chinese Chemical Society 51 (2004) 945.

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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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