귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 5. 보석의 물리적 성질

5. 보석의 물리적 성질

 

1. 벽개와 열개, 단구
(1) 벽개
어떤 보석이 외부로부터 힘을 받을 때, 일정한 방향으로 평탄한 면을 보이면서 쪼개
지는 성질을 벽개(劈開, cleavage)라고 한다. 이때 쪼개지는 방향은 보석을 구성하고 있
는 원자들의 결합력이 약한 면과 나란히 한다. 벽개는 보석을 구성하고 있는 원자들의
배열 상태에 따라 다르게 나타나기 때문에 결정구조와 직접적인 관계가 있다. 일반적으
로 결정면이 잘 발달하고 있는 결정의 벽개는 결정면과 나란하게 발달한다. 벽개에 의
해 만들어진 평탄한 면을 벽개면(劈開面)이라고 한다. 벽개면은 항상 원자 밀도가 높은
편이며 어느 결정면에 대하여 항상 평행하나, 결정면이 잘 발달한 결정이라도 벽개가
항상 나타나는 것은 아니다. 예를 들면, 수정은 결정면이 육각기둥 모양으로 잘 발달되
어 있지만 벽개는 없다. 또한 결정면이 발달하지 않은 보석에도 벽개가 발달할 수 있다.

 

다이아몬드와 흑연은 모두 탄소가 주성분이지만 원자들의 결합 방법이 다르기 때문
에 전혀 다른 광물학적 특성을 가진다. 다이아몬드 내의 탄소 원자는 주위에 있는 4개
의 탄소 원자와 결합하고 있으며 탄소 원자 간의 거리가 모두 0.154nm인 사면체 결합
을 하고 있다. 이 결합은 강하지만 촘촘히 배열되어 있지 않아서 결국 다이아몬드 결정 의 팔면체의 면과 나란하게 약간 넓은 공간이 있다고 생각할 수 있다. 따라서 외력이 작
용하면 팔면체의 면과 나란한 4방향으로 쪼개진다 

다이아몬드 내의 원자 결합에 의한 격자 구조

흑연 내의 탄소 원자는 육각형으로 이루어진 원자층을 하고 있으며, 이들 탄소간
의 거리는 0.142nm로 가깝다. 때문에 원자층에 있는 탄소 원자 간의 결합력은 아주
크다. 이와 같은 원자층이 수직 방향(c축)으로 계속 반복하고 있는데, 이 층간 거리는
0.335nm이고 결합력이 매우 약하다. 따라서 외부로부터 작은 힘이 가해져도 결합력이
약한 이 방향을 따라 부서지고 쪼개진다[그림 1-48]. 이처럼 수직축 c축에 수직되게 분
리되는 것을 기저벽개(基底劈開, basal cleavage)라고 한다.
벽개의 존재는 보석의 결정구조에 대한 직접적인 암시이며, 연마 방향을 설정하는데
이용한다. 일반적으로 벽개가 여러 방향으로 발달할수록, 벽개의 발달 정도가 완전할수
록 보석으로 연마하는데 어려움이 많다. 벽개는 평탄한 면이 잘 나타나는 정도에 따라
다음과 같이 4단계로 나타낸다.
① 완전(完全, perfect) : 평탄한 면이 쉽게 만들어지며 깨지는 경우 (다이아몬드, 형
석, 토파즈, 스포듀민, 방해석)
② 명료(明瞭, distinct) : 평탄한 면이 비교적 쉽게 만들어지며 깨지는 경우 (펠드스
파)
③ 양호(良好, good) : 조금 어렵게 깨지는 경우 (크리소베릴)
④ 불명료(不明瞭, indistinct) : 어렵게 깨지는 경우 (지르콘, 베릴)

흑연 내의 원자 결합에 의한 격자 구조

(2) 열개
쌍정이 발달한 보석이 압력을 받았을 때 쌍정면을 따라 분리되어 평탄한 면을 만들며
쪼개지는 현상을 열개(裂開, parting)라고 한다. 열개는 대부분의 경우 벽개와 유사해서
단순한 관찰만으로는 구별할 수 없다. 따라서 관찰하는 면이 벽개면인지 또는 열개면인
지에 대해서는 보석 내에 있는 면구조(面構造)를 관찰하여야 한다. 이를 위해 편광현미
경을 사용하면 효과적이다. 열개가 벽개와 다른 점은 동일한 여러 광물 표본에서 항상
나타나지 않고 특정 표본에서만 나타난다는 점이다.  

열개의 예

(3) 단구
어떤 보석은 외부에서 충격이 가해지면 불특정 방향으로 깨지며, 그 깨진 면도 평탄
하지 않은 상태가 된다. 이처럼 어떤 보석이 일정한 방향성 없이 깨지는 면의 모양을 단
구(斷口, fracture)라 하며, 이때 생긴 면을 단구면(斷口面)이라고 한다. 수정, 베릴, 칼
세도니와 같은 보석과 흑요석이나 인공 유리와 같은 일정한 결정구조가 없는 유리질 또
는 비정질 물질에서 관찰된다. 단구의 종류는 다음과 같다.
① 패각상(貝殼狀, conchoidal) - 깨진 면이 둥근 곡선 무늬를 나타내어 조개껍질의
안쪽 벽 모습과 유사한 상태 (유리, 수정, 오팔, 투어멀린, 지르콘, 커런덤 등)
② 목쇄상(木碎狀, splintery) - 깨진 면이 섬유 모양이나 결이 있는 나무의 균열과
유사한 상태 (헤마타이트, 호안석 등)
③ 입상(粒狀, granular) - 깨진 면이 설탕의 입자나 흙과 유사한 상태로 결정질 집
합체에서 흔히 볼 수 있는 미립자 상태 (비취, 연옥, 터키석, 서펜틴 등)
④ 균일상(均一狀, even) - 비교적 매끄럽고 균일한 상태 (석고 등)
⑤ 불균일상(不均一狀, uneven) - 깨진 면에 작은 기복이 있어 균일하지 않은 것 (라
피스라줄리 등)

 

2. 경도와 인성
(1) 경도
경도(硬度, hardness)란 보석이 긁힘이나 마모 작용에 견디는 능력의 정도를 말한다.
광택을 낸 서로 다른 보석을 오래 동안 함께 보관해 두면 어떤 보석의 표면은 다른 것에
비해 긁힌 자국이 생겨난 것을 볼 수 있는데, 광물의 굳기 또는 단단한 정도가 보석마다
다르기 때문이다. 독일의 광물학자 모스(Mohs)는 1822년에 광물의 경도를 나타내는 방
법을 고안해 냈다. 광물들의 긁힘에 대한 경도를 10등분하고 흔한 광물 중에서 약간의
화학 성분의 변화로도 경도가 그다지 변하지 않는, 각 경도에 알맞은 대표적인 광물을
정해 놓았다. 이를 모스경도계라고 한다.

1) 경도 측정법
보석의 경도를 측정하려면 그 보석을 모스가 지정한 광물과 서로 긁어보면 알 수 있
다. 예를 들어 어떤 광물이 정장석을 긁을 수 있지만 수정은 긁히지 않는다고 하면 그
보석은 6과 7 사이의 경도를 갖는다. 이때 그 보석의 경도는 6.5로 표시한다.
모스경도계는 상대적인 경도를 나타낼 뿐 절대적 경도의 개념이 아니다. [그림 1-50]
에서 볼 수 있듯이 경도 9인 커런덤과 경도 10인 다이아몬드는 경도 단계의 차이는 하나
이지만 실제 경도의 차이는 경도 1인 활석과 경도 9인 커런덤과의 경도 차이보다도 훨
씬 크다. 보석의 경도를 측정하는 가장 쉬운 방법은 경도를 알고 있는 보석과 서로 긁어
보는 방법이다. 이때 무리한 힘을 가하면 안 되며 긁힌 자국이 생겼는지를 알아보기 위
해서는 긁은 부분을 닦아낸 후 현미경 하에서 관찰하도록 한다. 이 외에도 모스 경도의
척도가 되는 물질로 손톱(2.5), 구리 동전(3), 유리(5∼5.5), 칼날(5.5∼6)등을 사용해도
된다. 경도심(硬度芯, hardness pencil)
은 경도계의 4부터 10에 속하는 광물을 철심에 각각 고정시켜 만든 것이다.
경도판(硬度板, hardness plate)을 사용하기도 하는데, 이것은 경도계에 속하는 광물을
연마해서 평평한 면을 가지도록 만든 것이다. 경도판은 연마한 보석의 거들면이나 퍼빌
리언 모서리를 그어보는데 주로 사용된다.
이 외에도 비커스(Vickers)법, 록웰(Rockwell)법, 브리넬(Brinell)법, 쇼어(Shore)법
과 같이 다이아몬드나 탄화물, 단단한 강철 등의 끝을 둥글거나 뾰족하게 만들어 눌린
자국의 크기를 측정하는 경도 측정법이 있는데, 주로 연성(延性)이 있는 금속광물의 경
도를 측정하는데 사용한다.

경도심

2) 광물의 방향에 따른 경도의 차이
광물의 경도는 방향에 따라 그 세기가 다르게 나타난다. 경도는 원자들의 결합 방식,
구성 원자들의 종류, 방향에 따른 원자들의 점밀도(點密度) 등과 밀접한 연관이 있기에
한 광물 내에서도 방향에 따라 경도가 동일하지 않다. 그러나 방향에 따른 경도의 차이
가 너무 미미하기에 일반적인 경도 측정법으로는 그 차이를 느끼지 못하는 경우가 대부
분이다. 방향에 따라 현저한 경도 차이를 나타내는 보석으로 다이아몬드가 있다. 다이
아몬드의 경도가 10이라는 의미는 다이아몬드의 팔면체 면에 수직인 방향이 나타내는
경도를 뜻한다. 팔면체가 아닌 육면체 방향이나 십이면체 방향의 경도는 이보다 훨씬
낮다. 다이아몬드를 절단할 때는 경도가 다소 약한 육면체 또는 십이면체 방향으로 절
단하며, 팔면체의 직각 방향으로는 절단할 수 없다.
남정석(카이아나이트)은 납작하고 길쭉한 결정 모양을 가진다. 이 광물의 경우 장축
방향은 경도가 5정도이나, 이와 수직인 방향은 경도가 7이다. 이와 같이 방향에 따라 경
도의 차이가 심하게 나타나는 것은 결정의 방향에 따라 원자 배열의 상태가 다르기 때문
이다. 서로 같은 유형의 결정구조를 가진 광물들에 있어서는 구성 원자나 이온들의 크
기가 작을수록, 이온의 원자가가 커질수록, 이온 간의 거리가 짧을수록 광물의 경도는
커진다. 또 구성 원자들의 비중이 클수록 경도가 높다. 보석의 경도가 높은 것은 구성
원자들의 밀도가 크기 때문이다.

 

(2) 인성
갑작스런 외부의 충격에 갈라지거나 늘어나지 않고 견디는 능력을 인성(靭性,
toughness, 강도라고도 함)이라고 한다. 긁힘이나 마모에 대한 저항이 강하다고 해서
항상 단단하거나 견고한 것은 아니다. 다이아몬드는 지구상에 존재하는 물질 중에서 경
도가 가장 높은 광물이지만 어떤 충격이 가해지면 벽개면을 따라 쉽게 쪼개진다. 연옥
과 비취와 같은 미정질 물질이나 칼세도니와 같은 은미정질 물질은 경도가 6.5∼7.5로
비슷한 지르콘에 비하여 인성이 강하다. 에메랄드는 인성이 약한 보석의 예이다. 인성
이 약한 보석은 장신구에 세팅할 때 무리한 힘을 가하면 금이 갈 수 있으므로 조심해야
하고, 또 착용시에도 다른 물체에 의해 충격 받지 않도록 주의해야 한다.

3. 밀도와 비중
탄소 원자로 구성된 다이아몬드와 흑연은 단위 체적의 무게가 다르다. 이것은 탄소
원자가 서로 다른 방식으로 결합되어 있기 때문이다. 물질마다 단위 체적이 가지는 무
게가 서로 다른데, 이것은 그 물질을 구성하고 있는 원자의 종류와 구성 원자의 결합 방
식, 즉 결정 구조와 관련이 있다. [그림 1-52]는 서로 다른 여러 물질 1cm3가 가지는 질
량을 나타낸 것이다. 금, 납, 알루미늄은 물보다 밀(密)하다고 할 수 있다. 이는 금을 이
루고 있는 분자가 물 분자보다 질량이 클 뿐만 아니라, 분자들도 더 촘촘히 배열되어 있
다는 의미이다. 이처럼 물질이나 질량이 밀집되어 있는 정도를 밀도(密度, density)라고
한다. 밀도는 단위 체적(1cm3)에 들어있는 질량으로 표현한다.

이와 같이 물의 밀도와 비교한 어떤
물질의 상대 밀도를 비중(比重, specific gravity)이라고 하며 S.G. 로 간략히 나타낸다.

 

4. 전기성과 열성
(1) 전기성
어떤 물질이 전기를 전도하는 능력은 물질의 원자구조에 달려있다. 물질이 전기를 전
도하는 능력에 따라 도체, 반도체, 부도체로 나뉘며, 금, 은, 동과 같은 자연 금속은 전
기가 잘 통하는 도체이다. 금속 결정에서는 규칙적으로 나열된 원자 속을 각 원자의 원
자가전자가 자유로이 돌아다니고 있기 때문이다. 대부분의 광물은 전기가 통하지 않는
부도체이지만, 특정한 상황에서는 전기를 띠기도 한다.
일반적으로 천연 다이아몬드는 전기가 통하지 않지만, 붕소가 불순물로 소량 함유된
천연과 합성의 청색 다이아몬드는 붕소 원소로 인하여 전류가 흐른다. 그러나 인위적으
로 방사선 조사 처리되어 청색을 띠는 다이아몬드는 전류가 흐르지 않는다. 투어멀린과
수정은 200℃ 이하로 서서히 가열하면 결정의 양쪽에 전극이 생겨 전기를 띠게 되는데
이를 초전기 효과라 한다. 또한 투어멀린이나 수정은 기계적인 압력을 가할 때도 결정
의 양쪽에 전기적 성질을 띠는데 이를 압전기 효과라고 한다.

(2) 열전도성
물체의 한쪽 끝을 가열하면 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르는데 이것을
열전도라고 하며 두께 1cm, 단위 면적 1cm2인 물체의 양쪽 온도차가 1℃일 때 1초간에
통과하는 열량을 열전도율이라 한다.
보석마다 열을 전달하는 능력이 달라서 열전도율 차이가 나타나는데, 이 열전도율은
특히 다이아몬드와 다이아몬드 유사석을 구별할 때 이용된다. 다이아몬드는 열전도성이
뛰어나지만 합성 모이사나이트(moissanite)를 제외한 모든 다이아몬드 유사석은 열전
도성이 낮아 다이아몬드에서와 같이 큰 온도 차이를 나타내지 않는다.

(3) 열팽창성
광물을 가열하면 격자 진동의 진폭이 증가하고 원자간의 거리가 증가하여 부피가 커
지는데 이를 열팽창성이라 한다. 보석 광물은 제각기 다른 열팽창률을 가지고 있다. 그
래서 어떤 보석 내에 그 보석과 다른 광물이 있을 때 온도가 올라가면 보석을 깨뜨려 내
구성을 약하게 하는 원인이 되기도 한다.

열처리된 커런덤 속에서 가끔 볼 수 있는 결정 내포물 주위의 크랙이 그 예이다.

5. 자성과 친수성
(1) 자성
자석에 끌리는 성질을 자성이라고 하며 광물의 자성은 원자를 구성하고 있는 전자
에 의해 일어난다. 천연 보석 중에 헤마타이트는 자성이 가장 강한 광물이며 모조 헤마
타이트(헤마틴)도 자성을 띤다. 일반적으로 모조 헤마타이트는 헤마타이트보다 자성이
더 강한 특징이 있다. 이 외에도 자성을 이용하여 보석을 감별할 수 있는데, 고온고압
(HPHT) 방법으로 만들어진 합성 다이아몬드가 그 예이다. HPHT 합성 다이아몬드는
전이 금속인 철, 니켈, 코발트, 망간 등을 용제(溶劑)/촉매제(觸媒劑)로 사용하기 때문에
결정으로 성장된 후 내포물로서 종종 발견이 되며 이러한 금속성 내포물을 가지고 있는
합성 다이아몬드는 금속성 내포물 때문에 강한 자석에 끌리게 된다.

(2) 친수성
친수성이란 광물이 물에 젖는 정도를 말한다. 물을 보석 표면에 떨어뜨리면 액체의
표면 장력과 보석 자체의 성질에 따라 나타나는 현상이 다양하다. 친수성이 있는 보석
은 표면에 물을 떨어뜨리면 물이 표면에서 흩어지는데 가닛, 지르콘, 방해석, 공작석,
터키석 등이 여기에 속한다. 친수성이 약하거나 없는 보석은 물방울이 장력에 의해 뭉
치는 경향이 있어 표면에서 동그란 물방울의 형태를 지니게 되며 다이아몬드, 문스톤
등이 여기에 속한다.