귀금속 보석공예사, 보석디자인 전공 등 보석 감정사 요점 정리 78. 스컬 용융법

78. 스컬 용융법

 

스컬 용융법(skull melting method)은 결정성장시 도가니 내부는, 냉각 도가니에 의
한 열전도와 상부의 복사열에 의해 원료 물질 분말들이 얇은 크러스트(crust)를 생성하
여 자체 도가니 형태를 형성하므로 용융물을 안정하게 유지할 수 있으며, 또한 도가니
로부터의 오염을 방지할 수 있다. 그러므로 스컬 용융법은 큐빅 지르코니아(C.Z., cubic
zirconia)와 같은 고융점 산화물을 대량 성장시킬 수 있는 방법이다. ‘스컬’이란 용어는
합성된 잉곳(ingot)의 모양이 두개골(skull)과 유사해서 붙여진 이름이다.

 

스컬 용융법을 이용한 큐빅 지르코니아의 합성은 고주파 코일이 감긴 가열장치 내에
동관으로 엮어진 냉각 도가니(cold crucible)를 넣고 동관을 통해 물이 흐르도록 하여 냉
각장치의 기능을 갖도록 한 후, 산화지르코늄(ZrO2) 분말을 도가니에 가득 채워 고주파
를 발생하게 한다. ZrO2가 부도체의 성질을 띠므로 고주파에 의해서 가열이 되지 않으
며, 따라서 전도체인 카본(carbon)을 링(ring) 형태로 가공하여 원료 속에 넣거나 금속 지르코늄 조각을 스컬 속에 넣으면 고주파에 의해 뜨거워진 카본 링 또는 금속 조각이
주위의 ZrO2 분말에 열을 전달하여 녹게 만든다. 그러나 [그림 5-8]의 오른쪽 그림과
같이 냉각수가 흐르는 동관과 접한 부분에 있는 ZrO2는 녹지 않으므로 자연히 스컬 주
위에 ZrO2 분말로 된 도가니가 만들어진다. 이를 자체 도가니(self crucible)라 한다.

[그림 5-9]에서 볼 수 있듯이 스컬 벽에 생긴 자연 도가니 속의 융액을 밑으로 서서히
내리며 냉각시키면 수직 방향의 큐빅 지르코니아 결정이 만들어진다. 큐빅 지르코니아
는 고온에서 등축정계의 결정 구조를 가지지만 저온으로 냉각될 때는 정방정계, 사방정
계 또는 단사정계의 구조로 변하게 된다. 큐빅 지르코니아를 다이아몬드 모조석으로 사
용하기 위해서는 고온에서의 결정 구조를 저온에서도 유지시켜 주어야 하는데, 이를 위
해 산화이트륨(Y2O3) 또는 산화칼슘(CaO)을 안정제로 사용한다. 그러므로 큐빅 지르코
니아는 등축정계 구조를 가지는 지르코니아 결정을 의미한다. 무색 큐빅 지르코니아는
다이아몬드 모조석으로 가장 많이 이용되고 있으며, 바나듐을 추가시켜 황색 또는 녹색
을, 세륨을 추가시켜 적색을, 코발트를 추가시켜 갈색 등을 만든다.