귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 76. 플레임 퓨전법

76. 플레임 퓨전법

천연보석과 합성석의 식별 - 합성 유색석들이 어떻게 만들어지는지를 알고 있 으면 다양한 방법들에 의해 만들어진 합성석들의 차이를 이해할 수 있다. 내포 물은 결정의 성장과정을 반영하기 때문에 이를 잘 관찰하면 천연과 합성을 구 분하는데 도움이 된다. 천연보석은 합성석보다 더 다양하고 많은 내포물을 가진 다. 내포물로 단상의 기포, 곡선이 발견이 된다면 그 보석이 합성이라는 단서가 될 수 있다. 대부분의 천연보석에서는 기포가 단독으로 존재하기 보다는 이상, 또는 삼상 내포물의 한 부분으로 나타나기 때문이다. 플라토 라인(Plato line) - 기포는 물론이고 곡선상의 성장선도 발견할 수 없는 플레임 퓨전법으로 성장된 합성 커런덤을 감별하는 방법으로서, 독일의 플라토 (W. Plato)에 의해 개발된 감별법이다. 이 방법은 교차 필터와 침적 용액을 사용 해서 합성 커런덤을 광축 방향에서 확대하여 검사하면 커런덤에서 볼 수 있는 반복쌍정선과 유사한 플라토 라인이 나타난다.

1902년 프랑스의 어거스트 베르누이(A. V. L. Verneuil : [그림 5-2])는 최초로 상업
적으로 성공적인 합성 루비를 플레임 퓨전법(flame-fusion method)으로 생산하였다.
이 방법은 가장 저렴한 방법으로 오늘날까지 루비, 사파이어, 스피넬 등을 생산하는데
사용되고 있는 중요한 합성 제조법이다. 베르누이법(Verneuil method)으로도 불리는
플레임 퓨전법은 제조하려는 보석의 원료 물질을 높은 온도의 불꽃 속으로 통과시켜 순
간적으로 녹인 후 결정화 시키는 방법이다.

 

플레임 퓨전법을 이용한 결정 육성 장치와 모식도

합성 루비를 제조하기 위해서는 원료 물질인 순수한 알루미나(Al2O3) 분말에 발색원
소(發色元素)인 산화크롬(Cr2O3) 분말을 약 1∼3% 정도 섞어서 완전히 혼합시킨 후 [그
림 5-3]의 상부의 바닥에 작은 구멍이 나 있는 원료보관통에 넣는다. 원료통의 위 또
는 옆 부분에서 망치를 규칙적으로 두드리는 태핑 작용에 의해 일정한 양의 원료가 바
닥의 작은 구멍을 통하여 아래로 떨어지게 된다. 불꽃을 만드는데 사용되는 기체는 수
소와 산소인데, 산소는 원료와 함께 아래로 흐르고 수소는 별도의 관을 통해 불꽃을 만
드는 위치에서 서로 만나게 된다. 알루미나의 용융점이 약 2,050℃이므로 수소와 산소
의 혼합 기체가 연소할 때는 2,100℃ 이상의 높은 열을 낸다. 원료 분말이 불꽃을 통과
하는 동안 녹기 시작하여 불꽃을 통과하며 완전히 용융된 후, 하부의 세라믹 받침대 또
는 종자 위에서 서서히 식으면서 결정화가 된다. 결정화된 커런덤의 맨 위쪽 부분은 성
장하는 동안 용융된 상태가 유지되도록 받침대를 서서히 회전시키면서 하강시킨다[그림
5-4(a)]. 이렇게 만들어진 원추형 단결정을 불(boule)이라고 하며, 성장 속도는 대략 시
간당 1cm 정도이다[그림 5-4(b)].

순수한 알루미나 분말만을 사용하면 무색투명한 커런덤 결정이 만들어지며, 알루미
나 분말에 다른 발색 원소를 첨가하면 <표 5-1>에서 볼 수 있듯이 다양한 색을 얻을 수
있다. 결정이 성장되면서 불의 윗부분의 융액이 약간 아래로 흐르며 성장한 흔적이 남
아있거나, 용융된 원료 물질이 공기 중에서 결정화되기 때문에 결정 내부에 주로 구형
의 기포모양이 발견될 수 있다.

 

<착색 원소에 따른 커런덤의 색>

원추형으로 결정화된 불은 성장되는 동안 축적된 내부응력 때문에 받침대에서 제거
할 때 장축 방향을 따라 둘로 갈라진다. 루비의 테이블 패싯은 일반적으로 불의 장축 방
향과 나란하게 만들게 되는데, 루비 단결정의 c축은 보올의 장축방향과 일치하므로 광
축 역시 그 방향으로 배열되어 있다. 따라서 c축과 평행하게 만든 합성 루비의 테이블
패싯은 [그림 5-5]의 (b)와 같이 광축과 나란하게 되어 상광선(常光線, ordinary ray)과
이상광선(異常光線, extraordinary ray)의 색이 혼합된 색을 띠게 된다. 그러나 [그림
5-5]의 (a)에서처럼 천연 루비 원석을 나석으로 연마할 때는 가급적 광축에 수직되게
테이블 패싯을 만들기 때문에 상광선에 의한 적색만 나타나게 된다. 플레임 퓨전법으로
제조되는 보석 중 스피넬(MgAl2O4)이 있다[그림 5-6]. 합성 스피넬은 원래 블루 사파
이어를 만들기 위해 알루미나 분말에 코발트를 섞어서 제조하는 과정에서 우연히 얻어
졌다. 소량의 산화마그네슘(MgO)을 첨가시켜 제조한 결과 사파이어가 아닌 스피넬이 만들어 졌으며, MgO와 Al2O3의 비율을 1:3.5로 혼합시켜야 한다는 사실도 알게 되었
다. 원래 천연 스피넬은 MgO와 Al2O3가 1:1로 결합된 물질이다. 합성 스피넬의 굴절률
과 비중이 천연 스피넬보다 더 높은 것은 합성 스피넬을 제조할 때 알루미나 성분이 산
화마그네슘보다 더 많은 양이 들어갔기 때문이다. 알루미나와 산화마그네슘 분말에 첨
가시키는 발색 원소의 종류에 따라서 다양한 색의 스피넬 결정이 만들어지며, 발색 원
소를 첨가하지 않으면 무색 스피넬 단결정이 만들어진다.

플레임 퓨전법으로 만들어진 합성 스피넬