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탄자니아산 루비의 열처리에 의한 보석·광물학적 품질개선 연구
A Mineralogical and Gemological Studies for the Enhancement of Tanzania Ruby by Heat Treatment 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.47 no.6, 2014년, pp.563 - 569  

김선옥 (부경대학교 에너지자원공학과) ,  왕수균 (부경대학교 에너지자원공학과) ,  오설미 (부경대학교 공동실험실습관) ,  박희율 (열린사이버대학교 보석감정딜러학과) ,  박맹언 (부경대학교 지구환경과학과)

초록
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루비는 유색보석 중에서 가장 선호도가 높은 보석인 동시에 열처리에 의해 부가가치를 높일 수 있어 학문적인 연구 대상으로서도 그 관심이 높다. 세계적으로 많은 지역에서 루비가 산출되고 있음에도 불구하고, 고품질의 천연 루비는 미얀마, 스리랑카, 태국, 탄자니아 등 일부 제한된 국가에서만 산출되며, 오랜 기간 채광으로 인해 고품질의 원석이 고갈되어가고 있는 실정이다. 이 연구에서는 최근 새로운 산지가 확인되어 관심이 높은 탄자니아산 루비 원석을 사용하여 전통적인 단순 열처리방법과 화학적 열처리 방법에 의한 광물학적 및 보석학적 특성을 파악하고, 열처리에 의한 탄자니아산 루비의 품질개선 효과를 검토하였다. 미얀마의 Mogok산과 Mong Hsu산 루비에 효과적인 방법으로 알려진 전통적인 단순 열처리 실험은 T=$1,600^{\circ}C$에서 6시간 동안 실시하였다. 그 결과, 비교적 균일한 암적색을 지닌 탄자니아산 루비의 색상과 투명도는 색채 색차계와 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometry) 결과, CIE 1931 color space 상의 적색과 청색의 좌표값(X, Y)이 원시료 (0.365, 0.321) 및 (0.346, 0.363)에서 (0.337, 0.322)로 감소함이 확인되어, 전통적인 단순 열처리 방법이 탄자니아산 루비의 품질개선에 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 단순 열처리를 수행한 탄자니아산 루비의 X-선형광분석(XRF) 결과, 루비의 적색을 발현 시키는 $Cr^{3+}$함량이 0.72~1.04 wt.%로 증가 되었으나, 갈색의 보조색상을 발현시키는 Fe의 함량이 함께 증가되어 순수한 적색이 아닌 어두운 적색을 띄는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 단순 열처리에 의해 루비에 함유되어 있는 $Fe_2O_3$의 응집현상으로 어두운 색으로 변한 것이라 판단된다. 또한 열처리에 의해 $SiO_2$의 함량이 특징적으로 높게 나타났는데, 이는 열처리 과정동안 용융되었다가 다시 재결정화 되면서 생기는 현상으로 투명도의 개선에 효과적이지 않음을 알 수 있었다. 탄자니아산 루비 중 표면에 균열이 있는 시료를 선별하여 납(Pb)을 주성분으로 하는 화학적 첨가제를 사용한 열처리 실험 결과, 색상 뿐 만아니라, 투명도가 현저하게 개선되었다. CIE 1931 color space 상의 적색과 청색의 좌표값이 원시료 (0.386, 0.304) 및 (0.395, 0.313)에서 (0.405, 0.308)로 적색영역에 도시되었다. 이는 첨가제가 열처리 과정동안 용융되어 루비의 균열부분을 채워준 것으로 확대경으로도 관찰이 가능하다. 또한 루비의 표면과 균열부분에 대한 전자현미분석(EPMA)의 선분석(line scanning)에 의해서도 확인되었다. 이 첨가제는 균열부분을 충진함으로써 내구성과 투명도가 개선되었다. 첨가제의 용융체는 루비와 굴절률이 매우 비슷하기 때문에 입사된 빛이 루비 내부로 더 쉽게 통과하여 전반적으로 색상이 향상된 것으로 판단된다. 이 연구에서 화학적 열처리가 탄자니아산 루비의 품질향상에 적합한 방법임을 확인할 수 있었으며, 사파이어 등 강옥군 광물의 유색보석에 대한 색과 투명도 개선에 매우 유용할 것으로 생각된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ruby is one of the most favor colored gem, for beautiful red tone, be high in scarcity value. However, rubies with high quality are produced in restricted regions, such as in Thailand, Sri Lanka, Myanmar, and Tanzania etc., and they have been gradually exhausted by mining for a long period. Therefor...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 전처리 과정은 원시료에 부착된 불순물을 완전히 제거하기 위해 불산(51%)에 72시간 동안 담근 후 낮은 강도의 진동조건에서 초음파 세척기를 이용하여 세척하였다. 그 후 균열이 루비의 내부에서 표면까지 닿아 있는 시료를 현미경 관찰을 통하여 선별하고, 고온에서의 단순 열처리(시료 T-01과 T-02)와 첨가물을 이용한 화학적 열처리(시료 T-03과 T-04) 과정으로 구분하였다. 단순 고온열처리는 탄자니아산 루비(T-01)를 T=1,600℃에서 6시간 동안 실시하였으며, 상대적으로 저온에서의 열처리 시료(T-02)는 T=1,200℃에서 4시간, 1,600℃에서 4시간 동안 온도를 유지하였다.
  • 단순 열처리와 첨가제를 이용한 열처리 전 후의 루비시료의 색상의 변화를 관찰하기 위하여, 디지털 카메라(니콘 DS-Fi1)를 장착한 현미경(Zeiss사의 Stemi 2000-C) 을 이용하여 사진을 육안으로 비교하였다. 실험 결과 T=1,600℃에서 6시간동안 단순 열처리를 실시한 루비시료(T-01)는 열처리 후 어두운 자색(Fig.
  • X-선 형광분석은 부경대학교 공동실험실습관의 X-선 형광분석기(XRF-1700, SHIMADZU: 출력(40 kV, 30 mA))를 사용하였다. 단순 열처리와 화학적 열처리 전 후의 루비 시료의 색상변화를 정량적으로 평가하기 위하여 색차계(Chromameter: CS-100, Minolta)를 사용하였으며, 정확성을 높이기 위하여 모든 시료에 대해서 10회 측정한 후 평균값을 구하였다. 또한 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer)은 Jasco사의 분광분석기(V-670)를 사용하여 밴드 폭을 5 nm로 하여 분당 100 nm의 스캔속도로 300 nm부터 800 nm의 구간을 측정하였다.
  • 단순 열처리와 화학적 열처리가 끝난 루비시료에 대한 보석ㆍ광물학적 특성을 확인하기 위하여 X-선 형광분석기(XRF)에 의한 화학조성분석과, 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer) 및 색차계를 이용한 색상분석(Chromameter), 2차 광물의 화학조성을 파악하기 위한 전자현미분석(EPMA)을 실시하였다. X-선 형광분석은 부경대학교 공동실험실습관의 X-선 형광분석기(XRF-1700, SHIMADZU: 출력(40 kV, 30 mA))를 사용하였다.
  • 단순 열처리와 화학적 열처리를 실시한 탄자니아산 루비시료의 색상변화를 색차계를 이용하여 측정한 결과를 CIE 1931 color space에 도시하였다. 단순 열처리와 화학적 열처리 실시 이전 탄자니아산 루비시료(T-01, T-02, T-03, T-04)는 색차계의 X 좌표, Y좌표에서 각각 (0.
  • 단순 열처리와 화학적 열처리 전 후의 루비 시료의 색상변화를 정량적으로 평가하기 위하여 색차계(Chromameter: CS-100, Minolta)를 사용하였으며, 정확성을 높이기 위하여 모든 시료에 대해서 10회 측정한 후 평균값을 구하였다. 또한 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer)은 Jasco사의 분광분석기(V-670)를 사용하여 밴드 폭을 5 nm로 하여 분당 100 nm의 스캔속도로 300 nm부터 800 nm의 구간을 측정하였다.
  • 화학적 열처리방법은 루비시료 표면에 첨가물을 피복한 후, 전기로를 이용하여 가열하였다. 실험 조건은 T=800℃에서 30분, T=1,130℃에서 2시간, T=1,080℃에서 각각 30분 동안 유지하였으며, 회수된 루비시료를 실온에서 냉각하였다.
  • 열처리에 의한 표면의 변화특성에 대한 관찰과 성분변화를 파악하기 위하여 SHIMADZU사의 EPMA(EMPA-1600)를 이용하여 가속전압=15 kV, 빔전류=40 mA와 빔 사이즈=1 µm의 조건하에서 분석하였다.
  • 이 연구에서는 탄자니아산 루비를 대상으로 일반적으로 알려진 단순 열처리 방법과 연구과정에서 최적의 조건으로 확인된 첨가제를 이용한 열처리 결과를 보석ㆍ광물학적으로 비교하였다. 천연 루비의 색개선을 위하여 X-선 형광분석(XRF)에 의한 화학조성분석, 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer), 색차계를 이용한 색상분석(Chromaneter)과 전자현미분석(EPMA)을 이용한 조직관찰 및 2차생성물질의 화학조성 등 특성변화를 파악하였다.
  • 전처리 과정은 원시료에 부착된 불순물을 완전히 제거하기 위해 불산(51%)에 72시간 동안 담근 후 낮은 강도의 진동조건에서 초음파 세척기를 이용하여 세척하였다. 그 후 균열이 루비의 내부에서 표면까지 닿아 있는 시료를 현미경 관찰을 통하여 선별하고, 고온에서의 단순 열처리(시료 T-01과 T-02)와 첨가물을 이용한 화학적 열처리(시료 T-03과 T-04) 과정으로 구분하였다.
  • 이 연구에서는 탄자니아산 루비를 대상으로 일반적으로 알려진 단순 열처리 방법과 연구과정에서 최적의 조건으로 확인된 첨가제를 이용한 열처리 결과를 보석ㆍ광물학적으로 비교하였다. 천연 루비의 색개선을 위하여 X-선 형광분석(XRF)에 의한 화학조성분석, 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer), 색차계를 이용한 색상분석(Chromaneter)과 전자현미분석(EPMA)을 이용한 조직관찰 및 2차생성물질의 화학조성 등 특성변화를 파악하였다.
  • 75%의 Si이며, 소량의 Al, Zn, Ra, Fe, K이 함유되어 있다(Table 2). 화학적 열처리방법은 루비시료 표면에 첨가물을 피복한 후, 전기로를 이용하여 가열하였다. 실험 조건은 T=800℃에서 30분, T=1,130℃에서 2시간, T=1,080℃에서 각각 30분 동안 유지하였으며, 회수된 루비시료를 실온에서 냉각하였다.

대상 데이터

  • 1). 연구에 사용된 탄자니아산 루비시료는 담적색(light red) 내지 암적색(dark medium red)의 색상을 띠며(Fig. 2), 투명도=아투명~반투명, 굴절율(RI)=1.760~1.770, 비중(SG)=3.99~4.01이며, 형광성(FC)은 모든 시료가 단파장과 장파장에서 각각 약한 적색반응과 강한 적색반응을 나타냈다(Table 1).
  • 이 연구에서는 탄자니아에서 산출되는 원석 루비시료를 사용하였다(Fig. 1). 연구에 사용된 탄자니아산 루비시료는 담적색(light red) 내지 암적색(dark medium red)의 색상을 띠며(Fig.

이론/모형

  • 단순 열처리와 화학적 열처리가 끝난 루비시료에 대한 보석ㆍ광물학적 특성을 확인하기 위하여 X-선 형광분석기(XRF)에 의한 화학조성분석과, 자외선-가시광선 분광분석(UV-Vis Spectrometer) 및 색차계를 이용한 색상분석(Chromameter), 2차 광물의 화학조성을 파악하기 위한 전자현미분석(EPMA)을 실시하였다. X-선 형광분석은 부경대학교 공동실험실습관의 X-선 형광분석기(XRF-1700, SHIMADZU: 출력(40 kV, 30 mA))를 사용하였다. 단순 열처리와 화학적 열처리 전 후의 루비 시료의 색상변화를 정량적으로 평가하기 위하여 색차계(Chromameter: CS-100, Minolta)를 사용하였으며, 정확성을 높이기 위하여 모든 시료에 대해서 10회 측정한 후 평균값을 구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광물은 무엇인가? 광물이란 천연에서 산출되며, 일정한 화학조성과 규칙적인 원자배열을 하는 무기적 과정에 의해 생성되는 균질한 결정질 고상을 말한다(Hurlbut and Klein, 1977). 약 3,500여 종의 광물 중에서 아름다움과 내구성, 희소성, 휴대성 등을 가지고 있는 광물은 70여종에 불과하며, 이러한 광물은 보석광물로서 분류된다(Hurlbut and Switzer, 1976).
루비는 어떤 특성이 있는가? 강옥군 광물에 속하는 루비는 유색보석 중에서 가장 중요한 보석으로, 고유한 적색의 아름다움과 뛰어난 내구성, 그리고 희소성과 전통성 등으로 인하여 강옥 중에서도 선호도가 가장 높다. 고품질의 천연 루비의 높은 선호도로 인해 더욱 희소하며, 품질이 떨어지는 값이 싼 천연루비의 색을 개선한 처리석이 소비자들의 요구를 만족시키고 있다.
첨가제를 사용한 화학적 열처리는 탄자니아산 루비의 색상과 투명도 개선에 적합한 방법으로 확인된 이유는 무엇인가? 열처리 실험에 사용된 첨가제의 납성분의 용융체가루비시료의 표면에 존재하는 미세한 균열이나 공극 부분에서 검출되는 것으로 볼 때, 이 첨가제에 의한 용융물질이 열처리 과정 동안 루비의 균열부를 채움으로써, 루비의 내구성과 투명도를 개선하였음을 알 수 있다. 또한 첨가물의 열 용융에 의한 2차생성물이 루비와 굴절률이 매우 비슷하여 빛이 루비 내부로 더 쉽게 통과할 수 있게 하여 전반적으로 색상이 개선된 것으로 나타났다. 따라서 첨가제를 사용한 화학적 열처리는 탄자니아산 루비의 색상과 투명도 개선에 적합한 방법으로 확인되었다.
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참고문헌 (8)

  1. Dona, M.D., Elise, B.M., Rosemary, T., Karen, B.S. and Allen, M.B. (1992) Gem Wealth of Tanzania. Gems & Gemology, v.28, p.80-102. 

  2. Hanni, H.A. and Schmetzer, K. (1991) New rubies from Morogoro area, Tanzania. Gem & Gemology, v.27, p.156-167. 

  3. Hurlbut, C.S. Jr. and Klein, C. (1977) Dana's Manual of Mineral (19th edition). John Willey & Sons, U.S.A., p.261-268. 

  4. Hurlbut, C.S. Jr. and Switzer, G.S. (1976) Gemology. John Willey & Sons, U.S.A., p.107, 137-139. 

  5. Kim, G.J. (2006) A Study on Gemmological Characteristics of Heat Treated Ruby. Ph. D. thesis, Pusan National University, p.82-85. 

  6. Park, H.Y. (2004) The gemological study of ruby and sapphire from Tanzania. Msc Thesis, Pukyong National University, p.1-7. 

  7. Park, H.Y. and Sung, K.Y (2004) Gemological characteristics of rubies and sapphires from Tanzania. Jour, Miner. Soc. Korea, v.18, p.313-323. 

  8. Simonet, C., Fritsch, E. and Lasnier, B. (2008) A classification of gem corundum deposits aimed towards gem exploration. Ore Geology Reviews, v.34, p.127-133. 

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