귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 81. 수열법

81. 수열법

플럭스(flux) 성장 - 가열된 화학 물질 용액에 용해된 영양분들이 식어서 합성 결정으로 형성되는 방법 수열(hydrothermal)법 - 수용액에 용해된 영양분이 고온고압의 조건에서 합성 결정으로 형성 되는 방법 오토클레이브(autoclave) - 고온·고압 하에서 결정의 합성 및 화학처리를 하 는 내열, 내압성 용기 압전기(壓電氣, piezoelectricity) - 수정과 같은 결정판에 일정한 방향에서 압 력을 가하면 수정 결정의 양끝에 양전하와 음전하가 나타나는 현상 플레임 퓨전법의 내포물 특징 – 기포, 곡선, 커브된 색대(curved band) 플럭스법의 내포물 특징 – 위스피 베일상, 삼각형 또는 육각형의 백금 내포물, 고드름과 같은 거친 플럭스 내포물 수열법의 내포물 특징 – 직선적이거나 각진 색대, 종자 결정, 못머리 형태의 내 포물, 파도 같은 성장 패턴 즉 쉐브런(chevron)

수열법(水熱法, hydrothermal method, 열수법(熱水法)이라고도 함)은 플럭스법과
마찬가지로 결정의 성장속도가 느리다. 보석 물질의 원료를 오토클레이브(autoclave) 속에 넣고 용매를 채운 후 밀폐시켜서 고온 상태가 되도록 가열한다. 오토클레이브 내
의 온도가 차이가 나도록 온도구배를 만들면 뜨거운 부분에서 용해된 원료 물질은 대류
에 의해 온도가 약간 낮은 부분으로 이동하게 되며 과포화된 양만큼 종결정 위에 정출하
게 된다. 이때 오토클레이브에는 엄청난 압력이 만들어지게 된다. 따라서 수열법에 사
용되는 오토클레이브는 높은 압력에도 견딜 수 있는 특수 강철로 만든 내압용기(耐壓容器)여야 한다.

수열법을 이용한 결정 육성 장치

오토클레이브 내부 모식도

수열법으로 합성하는 대표적인 물질은 수정이다. 수정은 압전기(壓電氣) 효과를 띠는
특수 광물이어서 통신기기, 시계, 정밀 전자 제품 등에 긴요하게 이용되고 있다. 초기에
는 천연 수정을 사용하였으나 1950년대부터 불순물이나 결함구조가 거의 없는 합성 수
정으로 대체되었다. 수정을 육성시킬 때 사용하는 오토클레이브의 내부 구조는 [그림
5-12]와 같다. 하부에는 원료 물질이 채워지고 상부에는 수정의 종결정을 여러 개 연결
한 후 용매를 채워 밀폐시킨다. 용매는 알칼리성의 물질인 수산화나트륨(NaOH), 탄산
나트륨(Na2CO3), 수산화칼륨(KOH), 탄산칼륨(K2CO3) 또는 중성에 가까운 물질인 불
화암모늄(NH4F)을 물에 첨가시킨 것으로서 원료 물질의 용해 및 이동에 도움을 주는 역할을 한다. 원료 물질이 있는 하부는 약 350∼400℃ 정도가 되도록 가열하고 종결정
이 있는 부분은 그보다 온도가 약간 낮도록 가열하면 오토클레이브 내의 용매는 수증기
화 되어 대류 현상을 일으키게 된다. 이때 1,400∼1,700 기압의 압력이 생기게 되며 상
온에서 거의 녹지 않던 수정도 이와 같은 조건에서는 상당량 용매 속에 녹게 된다. 대류
현상으로 인해 용매 온도가 상대적으로 낮은 상부에서 용해도의 감소에 따른 과포화된
원료 성분이 종결정 위에 쌓임으로써 성장하게 된다. 성장이 완료된 합성 수정의 외부
형태는 종결정의 결정학적 방향에 따라서 좌우되며 천연 수정의 결정과는 달리 기저면의
발달이 현저하다. 수정 이외에도 수열법을 이용하여 에메랄드, 루비 등이 만들어 진다.