합성 루비

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배경

다이아몬드, 루비, 사파이어 및 에메랄드는 귀중한 보석으로 알려져 있습니다. 루비는 다이아몬드 다음으로 가장 단단한 보석입니다. 또한 산 및 기타 유해 물질에 내성이 있습니다. 크고 보석 품질의 루비는 매우 드물기 때문에 미세한 루비의 가치는 비슷한 품질의 다이아몬드의 4배일 수 있습니다.

루비와 사파이어는 모두 산화알루미늄의 결정 형태인 커런덤으로 구성되어 있습니다. 그들은 소량의 색상 생성 미네랄 만 다릅니다. 크롬은 루비의 특징적인 붉은색을 띠며 농도가 높을수록 더 어두운 색조를 생성합니다. 크롬이 포함되지 않은 산화알루미늄 결정을 사파이어라고 합니다. 그들은 파란색, 노란색, 녹색, 분홍색, 자주색 및 무색을 포함한 많은 색조로 나타납니다.

천연 루비는 전 세계의 소수 지역, 특히 미얀마(이전의 버마), 태국, 스리랑카, 아프가니스탄, 탕가니카 및 노스캐롤라이나에서 발견됩니다. 아름다운 색상의 투명한 수정은 보석으로 사용되며 반투명 또는 불투명한 수정은 시계 받침대와 같은 장식용으로 사용됩니다.

루비는 장식적인 기능 외에도 다양한 실용적인 목적을 수행합니다. 예를 들어 경도 때문에 섬유 기계용 스레드 가이드를 오래 지속됩니다. 루비는 강철보다 훨씬 단단하기 때문에 시계, 나침반, 전기 계량기와 같은 장치의 금속 샤프트에 대한 우수한 베어링 재료입니다. 루비는 가시광선 스펙트럼을 통해 짧은 자외선 파장에서 긴 적외선 파장에 이르는 범위에서 탁월한 파 전달 특성을 가지고 있습니다. 따라서 레이저 및 메이저(가시 범위의 마이크로파 및 전파에서 작동하는 레이저 유사 장치)에 사용하기에 이상적입니다.

이러한 산업적 용도의 대부분은 특정 크기와 모양의 매우 고품질의 결정을 요구하기 때문에 합성 루비가 제조됩니다. 소량의 불순물을 제외하고 합성 보석은 천연 보석과 화학적, 물리적, 광학적 특성이 동일합니다. 일부는 원석으로 사용되지만 현대 합성 루비 생산량의 약 75%가 산업용으로 사용됩니다.

연혁

천연 루비는 8,000년 이상 동안 채굴되었습니다. 많은 문화권에서 보석은 아름다움뿐만 아니라 초자연적인 힘으로 인해 높이 평가되었습니다. 일반적으로 루비의 붉은 색은 돌 안에 갇혀 있는 불에서 나온 것이라고 믿어졌습니다. 고대 힌두교도는 루비가 물을 끓게 할 수 있다고 믿었고 초기 그리스인은 결정체가 왁스를 녹일 수 있다고 믿었습니다. 다른 문화권(예:버마어 및 아메리카 원주민)에서 루비는 피 같은 색 때문에 착용자를 보호하는 것으로 생각되었습니다.

그만큼 귀한 보석이었기 때문에 루비는 인공적으로 만들어진 최초의 보석이었습니다. 루비를 만들기 위한 문서화된 시도는 1837년부터 일부 합성 루비를 생산한 프랑스 화학자 Marc A. Gaudin의 실험으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 그들은 냉각되면서 불투명해지기 때문에 보석으로서 가치가 없었습니다. 30년 간의 실험 끝에 그는 자신의 마지막 루비 실험에 대한 출판된 노트에서 패배를 인정하고 포기했습니다.

1885년 즈음에 보석으로 판매되는 일부 루비가 인공으로 발견되었습니다(비정상적으로 저렴한 가격으로 인해 구매자는 신중하게 검사하도록 했습니다). 이러한 소위 제네바 루비를 만드는 방법은 1970년경까지 미스터리로 남아 있었습니다. 그 때 살아남은 샘플을 분석한 결과 분말화된 산화알루미늄과 소량의 산화크롬을 횃불 배열로 녹여서 만든 것으로 나타났습니다. 녹은 물질이 굳습니다.

사실, Geneva 루비는 현재 "화염 융합" 방법으로 알려진 초기 개발 단계에서 나온 것일 수 있습니다. 1877년, 프랑스의 화학자 Edmond Frémy와 조교는 납 산화물에 용해된 산화알루미늄 용액 44.1-66.15lb(20-30kg)를 도자기 통에서 20일 동안 가열하는 방법을 설명했습니다. 용매가 증발하고 용액, 용기 및 용광로 가스 사이에서 화학 반응이 일어나면서 수조의 벽에 많은 수의 매우 작은 루비 결정이 형성되었습니다. 루비는 너무 작고 생산 비용이 너무 높아 크리스탈을 보석에 현실적으로 사용할 수 없었습니다.

나중에 Frdmy의 또 다른 학생인 Auguste Verneuil은 다소 다른 프로세스를 개발하여 결국 성공했습니다. 1891년까지 그는 화염 융합에 의해 루비를 생산하고 있었지만 1902년까지 그의 기술에 대한 설명을 발표하지 않았습니다. 그의 조수는 1900년 파리 만국 박람회에서 합성 루비를 전시했는데, 그곳에서 상당한 인기를 얻었습니다. 그의 과정은 12-15캐럿(2.5-3g) 무게의 결정을 성장시키는 데 단 2시간이 걸렸습니다. 돌은 직경이 최대 0.25인치(6mm)인 대략 구형이었습니다. Verneuil이 1913년 57세의 나이로 사망할 때까지 그가 발명한 공정은 연간 1천만 캐럿(2,000kg 또는 4,400lb)의 루비를 제조하는 데 사용되었습니다.

1918년 J. Czochralski는 루비 합성을 위한 다른 방법을 개발했습니다. 크리스탈 풀링으로 알려진 이 기술은 빠르고 저렴하며 완벽한 돌을 만드는 데 효과적입니다. 사실, 보석으로 자르면 돌이 너무 투명하여 유리 모조품처럼 보입니다. 결과적으로 이 기술은 현재 주로 산업용 루비 제조에 사용됩니다.

제2차 세계 대전 중에는 프랑스와 스위스의 전통적인 출처에서 루비를 얻는 것이 불가능했습니다. 이 돌은 군용 및 민간 도구의 베어링으로 ​​사용하는 데 매우 중요했기 때문에 제조 기술을 개선하기 위한 노력이 있었습니다. Union Carbine Corporation의 Linde 부서에서 개발한 이러한 개선 사항 중 하나는 Verneuil의 화염 융합 공정을 수정하여 최대 30인치(750mm) 길이의 루비 결정 막대를 성장시켰습니다. 이러한 로드는 디스크로 쉽게 절단되어 대량의 베어링을 생산할 수 있습니다.

1958년 Bell Telephone Company에서 개발한 프로세스는 화염 융합에 의해 생성된 종자에 루비를 재배하기 위해 고온과 고압을 사용했습니다. 이 기술의 개선은 열수 방법으로 알려지게 되었습니다. 열수 공정을 개발하고 사용한 샌프란시스코 보석 제조업체인 Carroll Chatham은 또한 루비 제조의 플럭스 공정을 상업적으로 성공적으로 적용한 최초의 응용 프로그램을 개발했습니다. 1959년에 처음 사용된 이 기술은 본질적으로 용광로에서 소용돌이치는 마그마를 생성하고 거의 1년 동안 매우 자연스럽게 보이는 보석을 자랍니다.

합성 방법

현재 루비를 제조하는 데 몇 가지 방법이 사용됩니다. 각각의 장점과 한계가 있습니다. 가장 널리 사용되는 방법은 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다. 하나는 분말 재료를 용융 상태로 가열하고 결정 형태로 응고시키기 위해 조작하는 용융으로부터의 생산과 필요한 산화알루미늄과 크롬이 필요한 "용액"으로부터의 생산입니다. 다른 물질에 용해되어 결정 형태로 침전되도록 조작됩니다. Verneuil의 화염 융합 및 Czochralski의 결정 풀링은 가장 일반적으로 사용되는 용융 기술인 반면, 플럭스 성장 및 열수 성장은 용액 공정의 가장 인기 있는 버전입니다.

일반적으로 가장 저렴한 화염 융합 루비는 베어링 및 클래스 링과 같은 비교적 평범한 보석에 일반적으로 사용됩니다. 캐럿당 5달러 이상에 판매되는 풀링된 루비는 레이저 용도로 선호됩니다. 캐럿당 50달러 이상인 플럭스 루비는 고급 보석에 사용됩니다. 덜 일반적인 열수 공정은 변형이 없는 결정 또는 막대 모양이 아닌 다른 큰 결정을 요구하는 산업 응용 분야에 사용됩니다.

합성 루비를 만드는 데 사용되는 몇 가지 프로세스가 있습니다. Verneuil의 화염 융합 및 Czochralski의 결정 풀링은 가장 일반적으로 사용되는 용융 기술인 반면, 플럭스 성장 및 열수 성장은 용액 공정의 가장 인기 있는 버전입니다.

원자재

영양소(루비 결정이 되는 물질)는 주로 극도로 순수한 산화알루미늄(Al ₂ O ₃ ); 약 5-8%의 산화크롬(Cr ₂ O ₃ )는 필수 붉은색을 생성하기 위해 추가되어야 합니다. asterated gem(star ruby)을 생산하는 경우, 소량(0.1~0.5%)의 산화티타늄(TiO ₂ )도 사용됩니다.

사용하는 방법에 따라 추가 화학 물질이 필요할 수 있습니다. 화염 융합 공정은 산소-수소 토치를 사용하여 두 가지 기본 구성 요소의 분말 형태를 녹인 반면, Czochralski 공정은 일부 형태의 전기 가열 메커니즘을 사용합니다. Flux 방식은 산화리튬(LiO), 산화몰리브덴(MoO), 불화납(PbF ₂ ) 영양소의 용매로 사용됩니다. 열수 공정은 탄산나트륨 수용액(수성)을 용매로 사용합니다(Na ₂ CO ₃ ). 은 또는 백금과 같은 내부식성 금속은 Czochralski, 플럭스 및 열수 공정을 위한 액화 성분을 포함하는 용기를 라이닝하는 데 사용됩니다.

제조
프로세스

수정 성장

합성 루비 제조에는 일반적으로 다음 4가지 방법 중 하나가 사용됩니다.

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1(Flame Fusion) 베르누이 장치 상부에 있는 호퍼에 알루미늄과 산화크롬의 미세한 분말을 넣는다. 장치 위의 망치가 호퍼를 반복적으로 때립니다. 각 스트로크는 호퍼의 바닥을 형성하는 미세한 메쉬를 통해 소량의 분말이 떨어지도록 합니다. 이 배출된 분말은 산소 흐름으로 떨어지며 노즐로 운반되어 수소 흐름과 혼합되어 점화됩니다. 이 화염의 강렬한 열(약 3,600°F 또는 2,000°C)은 영양소를 녹이고 화염 아래의 세라믹 받침대에 떨어집니다. 처음에는 해머가 분당 80회의 속도로 두드립니다. 결정에 적합한 염기가 형성된 후 속도는 분당 약 20회까지 감소합니다.

베이스가 원하는 직경(약 0.8인치 또는 20mm)까지 구축되고 고품질 크리스탈 형성이 진행되면 크리스탈 상단이 화염과 접촉하게 유지되는 속도로 받침대가 낮아집니다. 약 5시간 30분 후에 결정의 길이는 약 70mm(2.75인치)에 이릅니다. 가스 흐름이 중단되어 화염이 꺼집니다. 현재 무게가 약 150캐럿인 크리스탈은 밀폐된 용광로에서 냉각됩니다.

2 (초크랄스키 공정) 전기 히터로 둘러싸인 도가니에서 영양소를 융점 이상으로 가열합니다. 막대에 작은 루비 수정이 붙어 있습니다. 원하는 결정이 이 소위 종자 결정에서 자랄 것입니다. 종자는 용융물(즉, 용융된 영양소)에 거의 잠길 때까지 도가니에 넣습니다. 용융물과 종자 결정의 전체 둘레 사이의 일정한 접촉 온도를 유지하기 위해 막대가 지속적으로 회전합니다. 영양 물질이 자체적으로 종자에 부착되고 결정화됨에 따라(상대적으로 냉각된 막대에 종자의 부착에 의해 도움을 받는 과정) 막대가 천천히 올라와 성장하는 결정을 용융물 밖으로 끌어냅니다. 성장하는 팁은 모든 영양소가 사용될 때까지 용융물과 접촉 상태를 유지합니다. 성장 속도는 시간당 100mm(4인치)까지 매우 빠를 수 있습니다. 직경이 50mm(2인치)를 초과하고 길이가 1m(40인치) 이상인 매우 큰 결정을 끌어낼 수 있습니다.

3 (플럭스 성장) 플럭스는 녹을 때 훨씬 더 높은 융점을 가진 다른 물질을 용해시키는 모든 물질입니다. 알루미늄 산화물을 녹이기 위해서는 3,600°F(2,000°C) 이상의 온도가 필요하지만, 이 재료는 800°C(1,470°F)만큼 낮은 온도에서 특정 플럭스에 용해됩니다. 1,200°C(2,200°F) 이상의 공정 온도는 고품질 결정을 생성하기 때문에 일반적으로 사용됩니다. 플럭스에 용해되어 있는 동안 루비 분자는 자유롭게 이동할 수 있으며 성장하는 결정에 부착할 수 있습니다. 일부 제조업체는 종자 결정을 용액에 담그고 다른 제조업체는 단순히 분자가 무작위로 결합하여 계획되지 않은 수의 결정을 형성하도록 합니다. 온도는 3~12개월 동안 유지됩니다. 그런 다음 일부 제조업체는 여전히 녹은 플럭스를 부어 루비 결정을 노출시킵니다. 다른 제조업체에서는 재료를 천천히 냉각(시간당 4°F 또는 2°C)한 다음 응고된 플럭스를 끊거나 산에 용해시켜 루비 결정을 추출합니다.

4(열수법) 내압관의 한쪽 끝에 분말 또는 결정질의 영양물질을 넣는다. 시드 크리스탈은 튜브의 다른 쪽 끝 근처에 있는 와이어 프레임에 장착됩니다. 적절한 수성 용액을 튜브에 넣고 밀봉합니다. 튜브는 가열 요소에 놓이는 튜브의 영양소 함유 끝과 함께 용광로 챔버에 수직으로 배치됩니다. 용광로의 바닥이 가열되면 튜브의 하단 끝이 상단보다 더 뜨거워집니다(770°F 또는 410°C에 비해 약 835°F 또는 445°C). 용해된 영양 물질은 종자 쪽으로 이동하여 상대적으로 더 차가운 표면에서 결정화됩니다. 튜브 내의 압력은 용매를 삽입할 때 튜브에 남아 있는 여유 공간의 양에 따라 83,000-380,000kPa(제곱인치당 12,000-55,000lb) 범위일 수 있습니다.

열수 공정에 사용되는 튜브는 8-16 범위의 높이 대 지름 비율로 적절한 크기로 만들 수 있습니다. 합성 보석 및 연합 크리스탈 제조 에 설명된 예에서 5개의 종자 결정을 12인치(300mm) 길이의 튜브에 넣었습니다. 각 결정은 30일의 처리 기간 동안 하루에 0.15mm(0.006인치)의 속도로 성장했습니다.

표면 마무리

보석으로 사용하든 산업용 장비로 사용하든 루비는 원하는 모양으로 자르거나 깎은 후 매끄럽고 광택 있는 마감 처리를 해야 합니다. 다음 방법을 사용할 수 있습니다.

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5 (연마) 다이아몬드 가루와 같은 연마재의 미세 입자가 점차 증가하여 표면이 문질러집니다. 이 전통적인 기술은 미세한 흠집과 구덩이만 남깁니다.

6 (광택) 초기 연마 후 석재의 표면을 가스 화염으로 빠르게 가열하여 작은 돌기를 녹일 수 있습니다. 그런 다음 표면이 냉각되고 용융된 재료의 얇은 층이 매끄러운 표면으로 응고됩니다. 이러한 방식으로 루비 막대를 처리하면 막대의 인장 강도(당기는 힘에 대한 저항)가 거의 두 배가 됩니다.

합성과
천연

비교

산업용 막대로 재배되는 루비는 모양 때문에 합성으로 쉽게 알아볼 수 있습니다. 보석처럼 잘려진 인조석은 쉽게 식별되지 않습니다. 그러나 현미경 검사를 통해 천연석과 인조석을 구별할 수 있는 내포물(이물질), 기포 및 줄무늬(성장 띠)의 특징적인 패턴을 밝혀낼 수 있으며, 심지어 천연석이 유래한 위치나 인조석이 생성되는 과정까지 밝혀낼 수 있습니다. 했다.